Intensity modulated radiation therapy and arc therapy: validation and evolution as applied to tumours of the head and neck, abdominal and pelvic regions

Intensiteitsgemoduleerde radiotherapie (IMRT) laat een betere controle over de dosisdistributie (DD) toe dan meer conventionele bestralingstechnieken. Zo is het met IMRT mogelijk om concave DDs te bereiken en om de risico-organen conformeel uit te sparen. IMRT werd in het UZG klinisch toegepast voor een hele waaier van tumorlocalisaties. De toepassing van IMRT voor de bestraling van hoofd- en halstumoren (HHT) vormt het onderwerp van het eerste deel van deze thesis. De planningsstrategie voor herbestralingen en bestraling van HHT, uitgaande van de keel en de mondholte wordt beschreven, evenals de eerste klinische resultaten hiervan. IMRT voor tumoren van de neus(bij)holten leidt tot minstens even goede lokale controle (LC) en overleving als conventionele bestralingstechnieken, en dit zonder stralingsgeïnduceerde blindheid. IMRT leidt dus tot een gunstiger toxiciteitprofiel maar heeft nog geen bewijs kunnen leveren van een gunstig effect op LC of overleving. De meeste hervallen van HHT worden gezien in het gebied dat tot een hoge dosis bestraald werd, wat erop wijst dat deze “hoge dosis” niet volstaat om alle clonogene tumorcellen uit te schakelen. We startten een studie op, om de mogelijkheid van dosisescalatie op geleide van biologische beeldvorming uit te testen. Naast de toepassing en klinische validatie van IMRT bestond het werk in het kader van deze thesis ook uit de ontwikkeling en het klinisch opstarten van intensiteitgemoduleerde arc therapie (IMAT). IMAT is een rotationele vorm van IMRT (d.w.z. de gantry draait rond tijdens de bestraling), waarbij de modulatie van de intensiteit bereikt wordt door overlappende arcs. IMAT heeft enkele duidelijke voordelen ten opzichte van IMRT in bepaalde situaties. Als het doelvolume concaaf rond een risico-orgaan ligt met een grote diameter, biedt IMAT eigenlijk een oneindig aantal bundelrichtingen aan. Een planningsstrategie voor IMAT werd ontwikkeld, en type-oplossingen voor totaal abdominale bestraling en rectumbestraling werden onderzocht en klinisch toegepast

IGRT and motion management during lung SBRT delivery.

Patient motion can cause misalignment of the tumour and toxicities to the healthy lung tissue during lung stereotactic body radiation therapy (SBRT). Any deviations from the reference setup can miss the target and have acute toxic effects on the patient with consequences onto its quality of life and survival outcomes. Correction for motion, either immediately prior to treatment or intra-treatment, can be realized with image-guided radiation therapy (IGRT) and motion management devices. The use of these techniques has demonstrated the feasibility of integrating complex technology with clinical linear accelerator to provide a higher standard of care for the patients and increase their quality of life

Spartan Daily, October 11, 1983

Volume 81, Issue 30https://scholarworks.sjsu.edu/spartandaily/7079/thumbnail.jp

3D SCINTILLATOR DETECTOR QUENCHING CHARACTERIZATION FOR SCANNING PROTON BEAMS

Proton pencil beam scanning is becoming the standard treatment delivery technique for proton therapy centers. Scanned proton pencil beams provide a highly conformal dose distribution. The complex dose distribution poses challenges for quality assurance measurements leading to sophisticated detector setups and time consuming measurements. Fast 3D measurements are therefore desirable to verify the complex dose distribution and to enable the utilization of the full potential of proton therapy. The overall objective of this project is to improve volumetric scintillators detectors to provide 3D measurements for applications for beam commissioning, quality assurance program, and patient-specific treatment delivery verification. Detectors based on volumetric scintillators are gaining interest for use in proton therapy because they promise fast and high-resolution proton beam measurements. However, the scintillators’ response depends on the ionization density of the incident radiation, termed ionization quenching. For protons and other heavy charged particles, the ionization density, which is quantified as the linear energy transfer (LET), varies as a function of depth. Therefore, quenching introduces a non-linear response to the absorbed dose of proton beams. To fully utilize volumetric scintillator detectors for dose verification, ionization quenching correction factors are needed. Previous studies have shown the feasibility of using multiple cameras to image volumetric scintillators for obtaining real-time measurements, and 3D information. Furthermore, ionization quenching correction models based on the widely used Birks’ equation was shown to have lower dose accuracy at the Bragg peak for low-energy beams. The purpose of this study is to accurately determine the ionization quenching correction factors and to characterize a novel 3D scintillator detector for scanned proton beams. The 3D scintillator detector consisted of a liquid scintillator filled tank imaged by three identical sCMOS cameras. The system exhibited a high spatial (0.20 mm) and temporal resolution (10 ms). It was capable of capturing and verifying the range of all the 94 beam energies delivered by the synchrotron with sub-millimeter accuracy. The use of multiple orthogonally positioned cameras allows for detecting the precise locations of delivered beams in 3D. The beam images captured by the detector were synchronized with synchrotron beam delivery trigger signals. The developed image acquisition technique demonstrates the capability of the detector to capture single spots with a reproducible accuracy of 2%. Ionization quenching correction factors were used to correct the response of scintillators for dose linearity. The EDSE scintillation model was explored which relates the scintillation light emission to the energy deposition by secondary electrons. This project explored key improvements necessary for volumetric scintillator-based detector and demonstrated the capabilities of a novel 3D scintillator detector as a potential comprehensive quality assurance tool and for patient treatment verification detector for spot scanning proton therapy

High-Speed Signal and Power Distribution of a Digital Tracking Calorimeter for Proton Computed Tomography

Masteroppgave i fysikkPHYS399MAMN-PHY

Técnicas de coste reducido para el posicionamiento del paciente en radioterapia percutánea utilizando un sistema de imágenes ópticas

Patient positioning is an important part of radiation therapy which is one of the main solutions for the treatment of malignant tissue in the human body. Currently, the most common patient positioning methods expose healthy tissue of the patient's body to extra dangerous radiations. Other non-invasive positioning methods are either not very accurate or are very costly for an average hospital. In this thesis, we explore the possibility of developing a system comprised of affordable hardware and advanced computer vision algorithms that facilitates patient positioning. Our algorithms are based on the usage of affordable RGB-D sensors, image features, ArUco planar markers, and other geometry registration methods. Furthermore, we take advantage of consumer-level computing hardware to make our systems widely accessible. More specifically, we avoid the usage of approaches that need to take advantage of dedicated GPU hardware for general-purpose computing since they are more costly. In different publications, we explore the usage of the mentioned tools to increase the accuracy of reconstruction/localization of the patient in its pose. We also take into account the visualization of the patient's target position with respect to their current position in order to assist the person who performs patient positioning. Furthermore, we make usage of augmented reality in conjunction with a real-time 3D tracking algorithm for better interaction between the program and the operator. We also solve more fundamental problems about ArUco markers that could be used in the future to improve our systems. These include highquality multi-camera calibration and mapping using ArUco markers plus detection of these markers in event cameras which are very useful in the presence of fast camera movement. In the end, we conclude that it is possible to increase the accuracy of 3D reconstruction and localization by combining current computer vision algorithms with fiducial planar markers with RGB-D sensors. This is reflected in the low amount of error we have achieved in our experiments for patient positioning, pushing forward the state of the art for this application.En el tratamiento de tumores malignos en el cuerpo, el posicionamiento del paciente en las sesiones de radioterapia es una cuestión crucial. Actualmente, los métodos más comunes de posicionamiento del paciente exponen tejido sano del mismo a radiaciones peligrosas debido a que no es posible asegurar que la posición del paciente siempre sea la misma que la que tuvo cuando se planificó la zona a radiar. Los métodos que se usan actualmente, o no son precisos o tienen costes que los hacen inasequibles para ser usados en hospitales con financiación limitada. En esta Tesis hemos analizado la posibilidad de desarrollar un sistema compuesto por hardware de bajo coste y métodos avanzados de visión por ordenador que ayuden a que el posicionamiento del paciente sea el mismo en las diferentes sesiones de radioterapia, con respecto a su pose cuando fue se planificó la zona a radiar. La solución propuesta como resultado de la Tesis se basa en el uso de sensores RGB-D, características extraídas de la imagen, marcadores cuadrados denominados ArUco y métodos de registro de la geometría en la imagen. Además, en la solución propuesta, se aprovecha la existencia de hardware convencional de bajo coste para hacer nuestro sistema ampliamente accesible. Más específicamente, evitamos el uso de enfoques que necesitan aprovechar GPU, de mayores costes, para computación de propósito general. Se han obtenido diferentes publicaciones para conseguir el objetivo final. Las mismas describen métodos para aumentar la precisión de la reconstrucción y la localización del paciente en su pose, teniendo en cuenta la visualización de la posición ideal del paciente con respecto a su posición actual, para ayudar al profesional que realiza la colocación del paciente. También se han propuesto métodos de realidad aumentada junto con algoritmos para seguimiento 3D en tiempo real para conseguir una mejor interacción entre el sistema ideado y el profesional que debe realizar esa labor. De forma añadida, también se han propuesto soluciones para problemas fundamentales relacionados con el uso de marcadores cuadrados que han sido utilizados para conseguir el objetivo de la Tesis. Las soluciones propuestas pueden ser empleadas en el futuro para mejorar otros sistemas. Los problemas citados incluyen la calibración y el mapeo multicámara de alta calidad utilizando los marcadores y la detección de estos marcadores en cámaras de eventos, que son muy útiles en presencia de movimientos rápidos de la cámara. Al final, concluimos que es posible aumentar la precisión de la reconstrucción y localización en 3D combinando los actuales algoritmos de visión por ordenador, que usan marcadores cuadrados de referencia, con sensores RGB-D. Los resultados obtenidos con respecto al error que el sistema obtiene al reproducir el posicionamiento del paciente suponen un importante avance en el estado del arte de este tópico