Physical and Clinical Potential of offline PET/CT Imaging after Proton Radiotherapy

Bei der Behandlung von Krebserkrankungen mit Protonenstrahlen können empindliche Gewebestrukturen direkt hinter dem Zielvolumen durch den schnellen Dosisabfall am Ende der Reichweite von Protonen vor Strahlung geschützt werden. Dieser ernorme Vorteil von Protonen wird jedoch nicht immer voll genutzt, da die Behandlungsplanung und -durchführung oft schwer einschätzbare Unsicherheiten beinhaltet. Die erfolgversprechendste In-Vivo-Methode zur nicht invasiven Kontrolle von Protonenstrahlbehandlungen ist die Positron Emissions Tomographie (PET). Positronenemitter, wie zum Beispiel 11C und 15O, werden bei nuklearen Reaktionen entlang des Strahlengangs produziert und können als räumliche Indikatoren für die deponierte Dosis genutzt werden. So lassen sich PET/CT-Messungen als Qualität sichernde Maßnahme zur Überprüfung der tatsächlich verabreichte Dosis und zur Quantifizierung von Unsicherheiten nutzen. In dieser Arbeit werden die physikalischen und klinischen Möglichkeiten von zeitversetzten PET/CT-Messungen zur Behandlungskontrolle untersucht. In einer Phantom-Studie wird die physikalische Reproduzierbarkeit, die Konsistenz und die Sensivität der Methode erkundet. In einer Patienten-Studie wird ihre klinische Leistungsfähigkeit qualitativ und quantitativ betrachtet. Dafür werden Daten von 23 Patienten (9 Patientendatensätze wurden vor, 14 im Rhamen dieser Arbeit gesammelt) mit vielfältigen Tumorerkrankungen unterschiedlicher Art und Lokalitätern analysiert. Es werden Patientenuntergruppen bestimmt, die aus der Anwendung der Methode am meisten profitieren. Darüber hinaus werden technische und methodische Verbesserungen untersucht, die eine breitere Anwendbarkeit von PET/CT-Messungen zur Behandlungskontrolle bei der Strahlentherapie mit Protonen ermöglichen

Beurteilung der Schulpraktischen Studien I: Projektbericht ; Ergebnisse von Fragebogenstudien mit Lehramtsstudierenden und Dozierenden an der Universität Leipzig

Die unzureichende Schulpraxis ist einer der Hauptkritikpunkte, den die Studierenden des polyvalenten Lehramtsbachelors an der Universität Leipzig vorbringen. Besonders hoch sind daher die Erwartungen an die im regulären Verlauf des Studiums verankerten Schulpraktika: die Schulpraktischen Studien (SPS). Die SPS I sind dabei eng mit einem wahlobligatorischen Begleitseminar verbunden, in welchem die Studierenden Methoden der Schul- und Unterrichtsforschung kennenlernen und befähigt werden sollen, diese bei systematischen Beobachtungen und zur Analyse der Schulwirklichkeit anzuwenden. Diese Ziele sowie die Rahmenbedingungen zur Erreichung derselben werden im Folgenden einer Einschätzung durch Studierende und Dozierende unterzogen. Ausgehend von diesen Einschätzungen, soll zunächst die Qualität der SPS I in Bezug auf ihre Stärken und Schwächen aus Perspektive der Befragten beschrieben werden, um darauf aufbauend Verbesserungsvorschläge zu unterbreiten und somit zur Weiterentwicklung der SPS I als wichtigem Baustein beitragen zu können. Im Hinblick auf die Veränderungen im Zuge der Einführung des modularisierten Staatsexamens, wurden die Rahmenbedingungen im betreffenden Modul angepasst. Die Rückmeldungen aus dieser Studie sehen wir dennoch als wichtigen Beitrag zur Sicherung und Weiterentwicklung der Qualität der Lehramtsstudiengänge an der Universität Leipzig

Management of Motion and Anatomical Variations in Charged Particle Therapy:Past, Present, and Into the Future

The major aim of radiation therapy is to provide curative or palliative treatment to cancerous malignancies while minimizing damage to healthy tissues. Charged particle radiotherapy utilizing carbon ions or protons is uniquely suited for this task due to its ability to achieve highly conformal dose distributions around the tumor volume. For these treatment modalities, uncertainties in the localization of patient anatomy due to inter- and intra-fractional motion present a heightened risk of undesired dose delivery. A diverse range of mitigation strategies have been developed and clinically implemented in various disease sites to monitor and correct for patient motion, but much work remains. This review provides an overview of current clinical practices for inter and intra-fractional motion management in charged particle therapy, including motion control, current imaging and motion tracking modalities, as well as treatment planning and delivery techniques. We also cover progress to date on emerging technologies including particle-based radiography imaging, novel treatment delivery methods such as tumor tracking and FLASH, and artificial intelligence and discuss their potential impact towards improving or increasing the challenge of motion mitigation in charged particle therapy

Positive und negative Aspekte des Lehramtsstudiums aus Sicht der Studierenden: Projektbericht; Ergebnisse aus Fragebogenstudien mit Lehramtsstudierenden an der Universität Leipzig

Universitäten treten im Zuge der demografischen Wende in einen Wettstreit um Studierende. Fasst man die Universität in diesem Sinne als Unternehmen, Studiengänge als Dienstleistungen und die Studierenden als Kundinnen und Kunden dieser Dienstleistungen auf, rückt die Sicherung und Weiterentwicklung der Qualität des gesamten Studienumfelds in den Mittelpunkt der Betrachtungen. Qualität wird hier in erster Linie als customer satisfaction verstanden, also als Zufriedenheit der Studierenden1. Darüber hinaus tragen die Rückmeldungen von Studierenden zur Weiterentwicklung der Lehrerbildung im Allgemeinen bei. Die Gesamtschau dieser Studierendeneinschätzung hilft zum einen Problembereiche des modularisierten BA-Studiums zu identifizieren und so Verbesserungspotentiale zu erkennen. Zum anderen gibt der Blick auf die positiven Aspekte des Studiums Rückmeldung zu erreichten Verbesserungen, sowie Bereichen in denen Veränderungen beibehalten oder verstärkt werden sollten. Nicht zuletzt dient dies der positiven Außendarstellung des Studiums an der Universität Leipzig

Studienmotivation im Lehramt: Abschlussbericht: Ergebnisse quantitativer und qualitativer Fragebogenstudien mit Lehramtsstudierenden an der Universität Leipzig

Die Befragung der Erstsemester im Lehramtsstudium an der Universität Leipzig reiht sich in eine längere Tradition von Befragungen zur Studienmotivation im Lehramt ein. Sie kommt auch nicht zu grundlegend anderen Ergebnissen in der quantitativen Erhebung von Faktoren. Jedoch zeigen die qualitativen Auswertungen der offenen Fragen einige Nuancen und Spezifika auf, die in anderen Studien nicht in dieser Weise zum Ausdruck kommen. Durch die Art der Fragestellung und ergänzende Erhebungen wurde versucht, den Grad der sozialen Erwünschtheit zu reduzieren

Time-resolved dosimetry for validation of 4D dose calculation in PBS proton therapy

Four-dimensional dose calculation (4D-DC) is crucial for predicting the dosimetric outcome in the presence of intra-fractional organ motion. Time-resolved dosimetry can provide significant insights into 4D pencil beam scanning dose accumulation and is therefore irreplaceable for benchmarking 4D-DC. In this study a novel approach of time-resolved dosimetry using five PinPoint ionization chambers (ICs) embedded in an anthropomorphic dynamic phantom was employed and validated against beam delivery details. Beam intensity variations as well as the beam delivery time structure were well reflected with an accuracy comparable to the temporal resolution of the IC measurements. The 4D dosimetry approach was further applied for benchmarking the 4D-DC implemented in the RayStation 6.99 treatment planning system. Agreement between computed values and measurements was investigated for (i) partial doses based on individual breathing phases, and (ii) temporally distributed cumulative doses. For varied beam delivery and patient-related parameters the average unsigned dose difference for (i) was 0.04 +/- 0.03 Gy over all considered IC measurement values, while the prescribed physical dose was 2 Gy. By implementing (ii), a strong effect of the dose gradient on measurement accuracy was observed. The gradient originated from scanned beam energy modulation and target motion transversal to the beam. Excluding measurements in the high gradient the relative dose difference between measurements and 4D-DCs for a given treatment plan at the end of delivery was 3.5% on average and 6.6% at maximum over measurement points inside the target. Overall, the agreement between 4D dose measurements in the moving phantom and retrospective 4D-DC was found to be comparable to the static dose differences for all delivery scenarios. The presented 4D-DC has been proven to be suitable for simulating treatment deliveries with various beam- as well as patient-specific parameters and can therefore be employed for dosimetric validation of different motion mitigation techniques

Technical Note:First report on an in vivo range probing quality control procedure for scanned proton beam therapy in head and neck cancer patients

PURPOSE: The capability of proton therapy to provide highly conformal dose distributions is impaired by range uncertainties. The aim of this work is to apply range probing (RP), a form of a proton radiography-based quality control (QC) procedure for range accuracy assessment in head and neck cancer (HNC) patients in a clinical setting. METHODS AND MATERIALS: This study included seven HNC patients. RP acquisition was performed using a multi-layer ionization chamber (MLIC). Per patient, two RP frames were acquired within the first two weeks of treatment, on days when a repeated CT scan was obtained. Per RP frame, integral depth dose (IDD) curves of 81 spots around the treatment isocentre were acquired. Range errors are determined as a discrepancy between calculated IDDs in the treatment planning system and measured residual ranges by the MLIC. Range errors are presented relative to the water equivalent path length of individual proton spots. In addition to reporting results for complete measurement frames, an analysis, excluding range error contributions due to anatomical changes, is presented. RESULTS: Discrepancies between measured and calculated ranges are smaller when performing RP calculations on the day-specific patient anatomy rather than the planning CT. The patient-specific range evaluation shows an agreement between calculated and measured ranges for spots in anatomically consistent areas within 3% (1.5 standard deviation). CONCLUSIONS: The results of a RP-based QC procedure implemented in the clinical practice for HNC patients have been demonstrated. The agreement of measured and simulated proton ranges confirms the 3% uncertainty margin for robust optimization. Anatomical variations show a predominant effect on range accuracy, motivating efforts towards the implementation of adaptive radiotherapy

Validation of the proton range accuracy and optimization of CT calibration curves utilizing range probing

Proton therapy is affected by range uncertainty, which is partly caused by an ambiguous conversion from x-ray attenuation to proton stopping power. CT calibration curves, or Hounsfield look-up tables (HLUTs), are institution-specific and may be a source of systematic errors in treatment planning. A range probing method to verify, optimize and validate HLUTs for proton treatment is proposed. An initial HLUT was determined according to the stoichiometric approach. For HLUT validation, three types of animal tissue phantoms were prepared: a pig's head, 'thorax' and femur. CT scans of the phantoms were taken and a structure, simulating a water slab, was added on the scan distal to the phantoms to mimic the detector used for integral depth-dose measurements. The CT scans were imported into the TPS to calculate individual pencil beams directed through the phantoms. The phantoms were positioned at the therapy system isocenter using x-ray imaging. Shoot-through pencil beams were delivered, and depth-dose profiles were measured using a multi-layer ionization chamber. Measured depth-dose curves were compared to the calculated curves and the range error per spot was determined. Based on the water equivalent path length (WEPL) of individual spot, a range error margin was defined. Ratios between measured error and theoretical margin were calculated per spot. The HLUT optimization was performed by identifying systematic shifts of the mean range error per phantom and minimizing the ratios between range errors and uncertainty margins. After optimization, the ratios of the actual range error and the uncertainty margin over the complete data set did not exceed 0.75 (1.5 SD), indicating that the actual errors are covered by the theoretical uncertainty recipe. The feasibility of using range probing to assess range errors was demonstrated. The theoretical uncertainty margins in the institution-specific setting potentially may be reduced by ∼25%

Classification of various sources of error in range assessment using proton radiography and neural networks in head and neck cancer patients

This study evaluates the suitability of convolutional neural networks (CNN) to automatically process proton radiography (PR) based images. CNNs are used to classify PR images impaired by several sources of error affecting the proton range, more precisely setup and calibration curve errors. PR simulations were performed in 40 head and neck cancer patients, at three different anatomical locations (fields A, B and C, centered for head and neck, neck and base of skull coverage). Field sizes were 26x26cm2 for field A and 4.5x4.5cm2 for fields B and C. Range shift maps were obtained by comparing an unperturbed reference PR against a PR where one or more sources of error affected the proton range. CT calibration curve errors in soft, bone and fat tissues and setup errors in the anterior-posterior and inferior-superior directions were simulated individually and in combination. A CNN was trained for each type of PR field, leading to 3 CNNs trained with a mixture of range shift maps arising from one or more sources of range error. To test the full/partial/wrong agreement between predicted and actual sources of range error in the range shift maps, exact, partial and wrong match percentages were computed for an independent test dataset containing range shift maps arising from isolated or combined errors, retrospectively. The CNN corresponding to field A showed superior capability to detect isolated and combined errors, with exact matches of 92% and 71% respectively. Field B showed exact matches of 80% and 54%, and field C resulted in exact matches of 77% and 41%. The suitability of CNNs to classify PR based images containing different sources of error affecting the proton range was demonstrated. This procedure enables the detection of setup and calibration curve errors when they appear individually or in combination, providing valuable information for the interpretation of PR images