Post-processing sets of tilted CT volumes as a method for metal artifact reduction

Background: Metal implants, surgical clips and other foreign bodies may cause `streaking' or `star' artifacts in computed tomography (CT) reconstructions, for example in the vicinity of dental restorations or hip implants. The deteriorated image quality complicates contouring and has an adverse effect on quantitative planning in external beam therapy. Methods: The potential to reduce artifacts by acquisition of tilted CT reconstructions from different angles of the same object was investigated. While each of those reconstructions still contained artifacts, they were not necessarily in the same place in each CT. By combining such CTs with complementary information, a reconstructed volume with less or even without artifacts was obtained. The most straightforward way to combine the co-registered volumes was to calculate the mean or median per voxel. The method was tested with a calibration phantom featuring a titanium insert, and with a human skull featuring multiple dental restorations made from gold and steel. The performance of the method was compared to established metal artifact reduction (MAR) algorithms. Dose reduction was tested. Results: In a visual comparison, streaking artifacts were strongly reduced and details in the vicinity of metal foreign bodies became much more visible. In case of the calibration phantom, average bias in Hounsfield units was reduced by 94% and per-voxel-errors and noise were reduced by 83%. In case of the human skull, bias was reduced by 95% and noise was reduced by 94%. The performance of the method was visually superior and quantitatively compareable to established MAR algorithms. Dose reduction was viable. Conclusions: A simple post-processing method for MAR was described which required one or more complementary scans but did not rely on any a priori information. The method was computationally inexpensive. Performance of the method was quantitatively comparable to established algorithms and visually superior in a direct comparison. Dose reduction was demonstrated, artifacts could be reduced without compromising total dose to the patient

Impact of MLC properties and IMRT technique in meningioma and head-and-neck treatments

Purpose: The impact of multileaf collimator (MLC) design and IMRT technique on plan quality and delivery improvements for head-and-neck and meningioma patients is compared in a planning study. Material and methods: Ten previously treated patients (5 head-and-neck, 5 meningioma) were re-planned for step-and-shoot IMRT (ssIMRT),sliding window IMRT (dMLC) and VMAT using the MLCi2 without (-) and with (+) interdigitation and the Agility-MLC attached to an Elekta 6MV linac. This results in nine plans per patient. Consistent patient individual optimization parameters are used. Plans are generated using the research tool Hyperion V2.4 (equivalent to Elekta Monaco 3.2) with hard constraints for critical structures and objectives for target structures. For VMAT plans, the improved segment shape optimization is used. Critical structures are evaluated based on QUANTEC criteria. PTV coverage is compared by EUD, D-mean, homogeneity and conformity. Additionally, MU/plan, treatment times and number of segments are evaluated. Results: As constrained optimization is used, all plans fulfill the hard constraints. Doses to critical structures do not differ more than 1Gy between the nine generated plans for each patient. Only larynx, parotids and eyes differ up to 1.5Gy (D-mean or D-max) or 7 % (volume-constraint) due to (1) increased scatter,(2) not avoiding structures when using the full range of gantry rotation and (3) improved leaf sequencing with advanced segment shape optimization for VMAT plans. EUD, Dmean, homogeneity and conformity are improved using the Agility-MLC. However, PTV coverage is more affected by technique. MU increase with the use of dMLC and VMAT, while the MU are reduced by using the Agility-MLC. Fastest treatments are always achieved using Agility-MLC, especially in combination with VMAT. Conclusion: Fastest treatments with the best PTV coverage are found for VMAT plans with Agility-MLC, achieving the same sparing of healthy tissue compared to the other combinations of ssIMRT, dMLC and VMAT with either MLCi2(-/+) or Agility

Hippocampal EUD in primarily irradiated glioblastoma patients

Background: Radiation delivery for malignant brain tumors is gradually becoming more precise. Particularly the possibilities of sparing adjacent normal structures such as the hippocampus are increasing. To determine its radiation exposure more exactly, the equivalent uniform dose (EUD) of the hippocampus was compared with further treatment parameters. This way sparing options could be found. Methods: From the database of the University hospital of Munich 61 glioblastoma patients were selected who received primary radiotherapy in 2011. General data about the etiology, treatment course, survival of the patients and dose parameters were retrieved. Results: In a linear regression analysis the side of the tumor (left hippocampus: p < 0.001/right hippocampus: p = 0.009) and its temporal location (left hippocampus: p = 0.015/right hippocampus: p = 0.033) were identified as factors with a significant influence on the EUD of the respective hippocampus. Besides this, the size of the planning target volume (PTV) and the EUD of the hippocampus correlated significantly (p = 0.027;Pearson correlation = 0.291). The median PTV size of the tumor in the right hemisphere was 386.1 ml (range 131.2-910.7 ml), and in the left hemisphere 291.3 ml (range 146.0-588.9 ml) (Kruskal-Wallis test: p = 0.048). A dose quartile analysis showed that 31 patients had a high dose exposure of the hippocampus on one side while having a moderate dose exposure in the other side. Conclusions: The radiation exposure of the respective hippocampus is dependent on the side where the tumor is located as well as on whether it is temporally located. The exposure of the contralateral hippocampus is further dependent on multiple additional factors - nevertheless a reasonable protection seems to be possible in about half of all cases

Hippocampal sparing radiotherapy for glioblastoma patients: a planning study using volumetric modulated arc therapy

Background: The purpose of this study is to investigate the potential to reduce exposure of the contralateral hippocampus in radiotherapy for glioblastoma using volumetric modulated arc therapy (VMAT). Methods: Datasets of 27 patients who had received 3D conformal radiotherapy (3D-CRT) for glioblastoma with a prescribed dose of 60Gy in fractions of 2Gy were included in this planning study. VMAT plans were optimized with the aim to reduce the dose to the contralateral hippocampus as much as possible without compromising other parameters. Hippocampal dose and treatment parameters were compared to the 3D-CRT plans using the Wilcoxon signed-rank test. The influence of tumour location and PTV size on the hippocampal dose was investigated with the Mann-Whitney-U-test and Spearman's rank correlation coefficient. Results: The median reduction of the contralateral hippocampus generalized equivalent uniform dose (gEUD) with VMAT was 36 % compared to the original 3D-CRT plans (p < 0.05). Other dose parameters were maintained or improved. The median V30Gy brain could be reduced by 17.9 % (p < 0.05). For VMAT, a parietal and a non-temporal tumour localisation as well as a larger PTV size were predictors for a higher hippocampal dose (p < 0.05). Conclusions: Using VMAT, a substantial reduction of the radiotherapy dose to the contralateral hippocampus for patients with glioblastoma is feasible without compromising other treatment parameters. For larger PTV sizes, less sparing can be achieved. Whether this approach is able to preserve the neurocognitive status without compromising the oncological outcome needs to be investigated in the setting of prospective clinical trials

Monte Carlo vs. Pencil Beam based optimization of stereotactic lung IMRT

<p>Abstract</p> <p>Background</p> <p>The purpose of the present study is to compare finite size pencil beam (fsPB) and Monte Carlo (MC) based optimization of lung intensity-modulated stereotactic radiotherapy (lung IMSRT).</p> <p>Materials and methods</p> <p>A fsPB and a MC algorithm as implemented in a biological IMRT planning system were validated by film measurements in a static lung phantom. Then, they were applied for static lung IMSRT planning based on three different geometrical patient models (one phase static CT, density overwrite one phase static CT, average CT) of the same patient. Both 6 and 15 MV beam energies were used. The resulting treatment plans were compared by how well they fulfilled the prescribed optimization constraints both for the dose distributions calculated on the static patient models and for the accumulated dose, recalculated with MC on each of 8 CTs of a 4DCT set.</p> <p>Results</p> <p>In the phantom measurements, the MC dose engine showed discrepancies < 2%, while the fsPB dose engine showed discrepancies of up to 8% in the presence of lateral electron disequilibrium in the target. In the patient plan optimization, this translates into violations of organ at risk constraints and unpredictable target doses for the fsPB optimized plans. For the 4D MC recalculated dose distribution, MC optimized plans always underestimate the target doses, but the organ at risk doses were comparable. The results depend on the static patient model, and the smallest discrepancy was found for the MC optimized plan on the density overwrite one phase static CT model.</p> <p>Conclusions</p> <p>It is feasible to employ the MC dose engine for optimization of lung IMSRT and the plans are superior to fsPB. Use of static patient models introduces a bias in the MC dose distribution compared to the 4D MC recalculated dose, but this bias is predictable and therefore MC based optimization on static patient models is considered safe.</p

Aufbau eines Wirkdrucksensors mit integrierter Referenzerzeugung

Zusammenfassung: Dieser Studienarbeitsbericht zeigt den Einfluss von Störungen auf, die bei der Messung von Durchflüssen entstehen können. Weiterhin wird hier ein Verfahren beschrieben, welches das Auftreten einer Störung durch Aufschalten eines Referenzdurchflusses anzeigt. Zur Messung des Durchflusses wurde ein Wirkdrucksensor mit Normblende konstruiert, bei dem durch Abwandlung kritischer Bauteile entsprechende Störungen erzeugt und deren Kennlinien aufgezeichnet wurden. Anhand der Kennlinien wurde festgestellt, dass es möglich ist, Störungen durch Aufschalten eines Referenzdurchflusses zu erfassen. Im Rahmen dieser Studienarbeit ist eine LabView-Software entstanden, die durch Veränderung des Hauptdurchflusses die Aufschaltung eines Referenzdurchflusses simuliert. Anhand der gemessenen Werte kann das Auftreten einer Störung erfasst und in manchen Fällen auch der Typ der Störung anzeigt werden. Durch die bei der Arbeit mit der Software gesammelte Erfahrung konnten die Anforderungen an einen Aktor, der diesen Referenzdurchfluss erzeugen soll, präzisiert werden. Allerdings ist der technische Aufwand für diesen Aktor so hoch, dass die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens in Zweifel gezogen werden mußte. Daher wurde eine zweite Lösung entworfen, die anstelle eines Aktors zwei Bypassventile einsetzt. Dieses Verfahren konnte nicht mehr messtechnisch überprüft werden

Solitons in Bose-Einstein Condensates

Investigation of 1D-(bright) solitons in Bose-Einstein Condensates beyond mean-field theory (Gross-Pitaevskii equation) using quantum field theoretic approaches.* Bethe ansatz method provides exact solution for zero-range pseudo interaction potential.* Discussion of a more general model in the dilute regime for taking into account more realistic atomic interactions.Among others: Computeralgebraic implementation of a commutator algebra

Kohlenstoff-Nanoröhrchen als Elektrodenmaterial für PEM-Brennstoffzellen

Bedingt durch den Klimawandel und die Verteuerung fossiler Rohstoffe wird der Bedarf an effizienten Energiewandlern in naher Zukunft stark steigen. Brennstoffzellen bieten aufgrund ihrer Funktionsweise einige Vorteile gegenüber den bislang verwendeten thermischen Wandlungsverfahren, die hauptsächlich auf thermodynamischen Kreisprozessen beruhen. Bislang scheitert der kommerzielle Einsatz von Brennstoffzellen an hohen Preisen u.a. für den Edelmetallkatalysator. Auch die Lebensdauer der teuren Zellen ist durch die Korrosion des Kohlenstoffträgersubstrats auf der Sauerstoffseite limitiert. Die in den neunziger Jahren entdeckten Kohlenstoff-Nanoröhrchen (Carbon Nanotubes, CNT) weisen bemerkenswerte Eigenschaften gegenüber amorphem Kohlenstoff auf. Aufgrund ihrer Struktur sind sie in der Lage, poröse, elektrisch leitfähige und mechanisch stabile Netzwerke zu bilden, was sie als Elektrodenmaterial für PEM-Brennstoffzellen interessant macht. In dieser Arbeit wird ein Verfahren zur Abscheidung nanoskaliger Katalysatorpartikel (Platin/Ruthenium) auf Kohlenstoff-Nanoröhrchen vorgestellt. Es beruht auf der nasschemischen Reduktion von Metallsalzen mit Hilfe von Ethylenglycol. Bislang wurde dieses Verfahren bei konventionellem Kohlenstoffsubstrat (Ruß) eingesetzt. Durch das gegenüber Ruß stark veränderte Benetzungsverhalten von CNTs sind bisherige Verfahren zur Katalysator- und Elektrodenherstellung nicht direkt übertragbar. So neigen CNTs dazu, Bündel zu bilden, die das Eindringen von wässrigen Lösungen ins Innere dieser Bündel verhindern. Dies kann zu einer ungleichmäßigen Beladung mit dem metallischen Katalysator führen. Das hier beschriebene Verfahren beruht auf der Dispersion der CNTs mit Hilfe von Ultraschall in Butylacetat, einer unpolaren Flüssigkeit, was zu einer Trennung der Bündel führt. Durch Zugabe von Nafion(R)-Lösung und erneuter Ultraschallbehandlung wird eine Emulsion mit Ethylenglycol erzeugt, bei der sich das Butylacetat zu ca. 30µm großen Tröpfchen formt, deren Hülle aus Nafion(R) und feinverteilten CNTs besteht. Es ergibt sich somit eine große Oberfläche, welche zum Ankoppeln der Katalysatorpartikel zur Verfügung steht. Damit wird eine hohe und homogene Beladung der Nanotubes mit Katalysatorteilchen erreicht (bis zu 50 Gewichtsprozent), wobei die Größenverteilung der abgeschiedenen ca. 3 nm großen Teilchen eng bleibt (+- 0,5 nm). Das zugesetzte Nafion(R) fördert nicht nur als Emulgator die Synthese sondern erhöht auch die für die Elektrodenfunktion notwendige Protonenleitfähigkeit des Materials. Das Kompositmaterial wird mit verschiedenen materialwissenschaftlichen Methoden (XRD, SEM, TEM, TGA-MS, CV) charakterisiert. Weiterhin wird die Herstellung von Brennstoffzellen-Elektroden ausführlich beschrieben. Die Zusammensetzung und Morphologie der Elektroden sowie die Dicke des Membranmaterials werden variiert. Die Leistungsfähigkeit der Elektroden wird durch zyklische Aufnahme von Strom-Spannungskurven in einem Brennstoffzellen-Teststand bestimmt, dabei werden Leistungsdichten bis zu 770 mW cm^-2 bei einer Platinbeladung von 0,3 mg cm^-2 erreicht. Die Membran-Elektroden-Einheit wird vor und nach dem Testbetrieb in der Brennstoffzelle mittels SEM untersucht

4-dimensionale Patientenmodelle für die evidenz-basierte biologische Optimierung der Strahlentherapie

The present work comprises the three cornerstones of evidence-based "4-dimensional" radiotherapy: biological dose-effect models, probabilistic patient geometry deformation models and methods for evaluation and optimization of accumulated dose-to-moving-tissue in a statistical sense. For this purpose, commonly used static patient models are substituted by novel dynamic patient models. The application of such precise and comprehensive radiotherapy concepts results in complex, fundamentally different dose distributions. This is only safe if adequate quantitative biological models for dose optimization in the patient exist. Normal tissue complication probability (NTCP) models were applied to clinical data of large patient populations treated for prostate and rectal cancer, and parameters are derived for chronic rectal and acute small bowel toxicity. Potential biases of such models introduced by the treatment technique in terms of specific patterns of dose-volume correlations are discussed and quantitatively investigated with a principal component analysis (PCA) of dose-volume histogram (DVH) data. Two 4-dimensional geometric modelling approaches for two major types of uncertainties encountered in radiotherapy were developed. For random geometric uncertainties, a PCA of organ geometry samples proves an efficient method to create statistical surrogate models that summarize the complex biomechanical processes involved in patient-individual organ motion in terms of deformation eigenmodes. The method was applied to the problem of internal motion of prostate, rectum and bladder as relevant for pelvic radiotherapy. For modelling of quasi-periodic respiratory motion, a fast and accurate deformable registration algorithm was developed as central tool for the creation of probabilistic thorax models based on 4D respiration correlated CT image information. The algorithm performs rigid registrations for a large number of small subregions and introduces a new, physically motivated regularization scheme on the basis of an automatic assessment of local registration quality. Ultimately, a clinically feasible implementation of 4D-intensity modulated radiotherapy (IMRT) is presented that realizes biological optimization of the expected dose-to-moving-tissue by explicit optimization in multiple instance geometries. The algorithm makes use of an advanced semi-analytical pencil-beam algorithm in combination with Monte Carlo dose computation to accurately determine the physically deposited dose in the moving tissue elements of dynamic patient geometries. Based on a planning example of free-breathing treatment of moving lung tumors, 4D-IMRT is shown to perform similar to gated treatment and thus constitutes an more efficient alternative to gating without prolonged treatment times. Finally, a clinically relevant application of 4D-evaluation is described in terms of a study comparing the robustness against organ motion of different intensity modulated prostate planning approaches for photon and proton irradiation. Summarizing, the developments presented in this work render evidence-based 4D-radiotherapy as comprehensive and powerful generalization of current static patient geometry approaches. This is an important step to a new paradigm that accounts for the dynamic nature of patient treatment.Die vorliegende Arbeit umfasst die drei Grundpfeiler evidenzbasierter "4-dimensionaler" Strahlentherapie: biologische Dosis-Wirkungs-Modelle, probabilistische Deformationsmodelle der Patientengeometrie sowie Methoden zur Evaluation und Optimierung der vom sich bewegenden Gewebe akkumulierten Dosis in statistischen Sinne. Im Zuge dessen werden klassisch verwendete statische Patientenmodelle durch neuartige dynamische Patientenmodelle ersetzt. Die Anwendung derartig präziser und umfassender Strahlentherapie-Konzepte führt zu komplexen, fundamental andersartigen Dosisverteilungen. Dies ist nur dann medizinisch unbedenklich, wenn entsprechende biologische Modelle für die Dosisoptimierung im Patienten vorhanden sind. Modelle, die die Wahrscheinlichkeit von Nebenwirkungen in gesundem Gewebe beschreiben, wurden auf klinische Daten grosser, an Prostata- und Rektalkrebs behandelter Patientengruppen angewendet. Dadurch konnten Modellparameter für chronische Rektal- und akute Dünndarm-Nebenwirkungen bestimmt werden. Mögliche systematische Fehler solcher Modelle, die in Form spezifischer Dosis Volumen-Korrelationen auf die Behandlungsmethode zurückzuführen sind, werden diskutiert und quantitativ mittels einer Hauptkomponentenanalyse (PCA, von engl. principal component analysis) von Dosis-Volumen-Histogramm-(DVH)-Daten untersucht. Es wurden zwei Ansätze zur "4-dimensionalen" geometrischen Modellierung für zwei in der Strahlentherapie auftretende Unsicherheiten entwickelt. Für zufällige geometrische Unsicherheiten erweist sich die Anwendung einer PCA auf Stichproben von Organgeometrien als effiziente Methode, statistische Ersatzmodelle abzuleiten, die die komplexen biomechanischen Vorgänge patientenindividueller Organbewegung in Form von Deformations-Eigenmoden zusammenfassen. Diese Methodik wurde auf das für Beckenbestrahlungen relevante Problem interner Organbewegungen von Prostata, Rektum und Blase angewendet. Zur Modellierung quasi-periodischer Atembewegungen wurde ein schneller und genauer Algorithmus zur elastischen Bildregistrierung entwickelt. Als solcher dient er als zentrales Element beim Erstellen probabilistischer Thoraxmodelle, die auf 4D-atemkorrelierten CT-Bildinformationen basieren. Der Algorithmus führt starre Registrierungen für eine grosse Zahl kleiner Bild-Teilbereiche durch. Dabei kommt ein neues, physikalisch motiviertes Regularisierungsschema auf Basis einer automatischen Klassifizierung der lokalen Registrierungsgüte zum Einsatz. Schliesslich wird eine klinisch praktikable Implementierung von 4D-intensitätsmodulierter Radiotherapie (IMRT) präsentiert, welche die biologische Optimierung des Erwartungswertes der Dosis im bewegten Gewebe realisiert. Dies wird durch explizite Optimierung in mehreren Geometrieinstanzen erreicht. Der Algorithmus benutzt einen anspruchsvollen semi-analytischen Nadelstrahlalgorithmus in Verbindung mit einem Monte-Carlo Dosisberechnungsverfahren, um die physikalische Dosisdeposition in den beweglichen Volumenelementen der Gewebematrix dynamischer Patientengeometrien präzise zu bestimmen. Anhand eines Planungsbeispieles für die Bestrahlung bewegter Lungentumore unter freier Atmung wird gezeigt, daß 4D-IMRT ähnlich gute Ergebnisse wie atemgetriggerte Bestrahlung erzielt. Es kann deshalb als effizientere Alternative zu atemgetriggerter Bestrahlung ohne verlängerte Behandlungszeiten angesehen werden. Zusätzlich wird eine klinisch relevante Anwendung für 4D-Evaluation in Gestalt einer Studie beschrieben, in der verschiedene intensitätsmodulierte Planungsmethoden für Prostatabestrahlung mit Photonen und Protonen hinsichtlich ihrer Robustheit gegenüber Organbewegung verglichen werden. Zusammenfassend zeigen die in dieser Arbeit vorgestellten Entwicklungen, daß evidenzbasierte 4D-Strahlentherapie eine umfassende und leistungsfähige Verallgemeinerung gegenwärtiger, auf statischen Patientengeometrien beruhenden Verfahren ist. Dies ist ein wichtiger Schritt hin zu einem neuen Paradigma, welches dem dynamischen Charakter der Bestrahlung von Patienten Rechnung trägt

Fused silica windows for solar receiver applications

A comprehensive study of optical and mechanical properties of quartz glass (fused silica) with regard to application in high temperature solar receivers is presented. The dependence of rupture strength on different surface conditions as well as high temperature is analyzed, focussing particularly on damage by devitrification and sandblasting. The influence of typical types of contamination in combination with thermal cycling on the optical properties of fused silica is determined. Cleaning methods are compared regarding effectiveness on contamination-induced degradation for samples with and without antireflective coating. The FEM-aided design of different types of receiver windows and their support structure is presented. A large-scale production process has been developed for producing fused silica dome shaped windows (pressurized window) up to a diameter of 816 mm. Prototypes were successfully pressure-tested in a test bench and certified according to the European Pressure Vessel Directive