Mittlere Infrarotspektroskopie zur Ableitung des teilflächenspezifischen Kalkbedarfs im Precision Farming

Der standortgerechte pH-Wert des Bodens ist aus ökonomischer und ökologischer Sicht essentiell für eine erfolgreiche Pflanzenproduktion. Allerdings wird durch die gängige flächeneinheitliche Bewirtschaftung und Erhaltungskalkung, die die vorhandene Heterogenität von Böden nicht berücksichtigt, ein unter Umständen bestehender ungünstiger pH-Status verstärkt. Nach der VDLUDFA-Verbandsmethode ergibt sich der Kalkbedarf aus dem Ist-pH-Wert, der Bodenart und dem Humusgehalt. Die zurzeit noch laborgestützte mittlere Infrarotspektroskopie (MIRS) ermöglicht die Ableitung dieser Kenngrößen, neben weiteren bedeutsamen Parametern, aus dem jeweiligen MIR-Spektrum einer Bodenprobe. Für die Ableitung dieser Parameter sind geeignete Vorhersagemodelle erforderlich. Diese beruhen auf chemometrischen Methoden (z.B. PLSR), welche einen Zusammenhang zwischen den konventionell bestimmten Parametern und den Spektren herstellen. Unser Ziel im Rahmen eines Teilprojektes des BonaRes-Verbundes „I4S“ ist es, den Kalkbedarf teilflächenspezifisch auf Grundlage dieser Sensordaten in hoher Präzision abzuleiten. Hierzu werden lokal bzw. standortabhängig kalibrierte Vorhersagemodelle sowie Modelle, die auf Spektren unserer überregionalen MIR-Spektrendatenbank beruhen, herangezogen. Die MIR-Spektrendatenbank ist ebenfalls Bestandteil von „I4S“ und wird derzeit im Hinblick auf den Kalkbedarf weiter ausgebaut. Unsere Hypothesen dabei sind: (A) Auf Basis der MIRS ist die teilflächenspezifische Ableitung in hoher Präzision möglich. (B) Die Verwendung eines vorhandenen standortunabhängigen Vorhersagemodells und damit verbundene ausbleibende Kalibration an dem jeweiligen Standort führt nur zu einer geringen Abnahme der Genauigkeit

Radiotherapy for tumors of the stomach and gastroesophageal junction - a review of its role in multimodal therapy

There is broad consensus on surgical resection being the backbone of curative therapy of gastric- and gastroesophageal junction carcinoma. Nevertheless, details on therapeutic approaches in addition to surgery, such as chemotherapy, radiotherapy or radiochemotherapy are discussed controversially; especially whether external beam radiotherapy should be applied in addition to chemotherapy and surgery is debated in both entities and differs widely between regions and centers. Early landmark trials such as the Intergroup-0116 and the MAGIC trial must be interpreted in the context of potentially insufficient lymph node resection. Despite shortcomings of both trials, benefits on overall survival by radiochemotherapy and adjuvant chemotherapy were confirmed in populations of D2-resected gastric cancer patients by Asian trials. Recent results on junctional carcinoma patients strongly suggest a survival benefit of neoadjuvant radiochemotherapy in curatively resectable patients. An effect of chemotherapy in the perioperative setting as given in the MAGIC study has been confirmed by the ACCORD07 trial for junctional carcinomas; however both the studies by Stahl et al. and the excellent outcome in the CROSS trial as compared to all other therapeutic approaches indicate a superiority of neoadjuvant radiochemotherapy as compared to perioperative chemotherapy in junctional carcinoma patients. Surgery alone without neoadjuvant or perioperative therapy is considered suboptimal in patients with locally advanced disease. In gastric carcinoma patients, perioperative chemotherapy has not been compared to adjuvant radiochemotherapy in a randomized setting. Nevertheless, the results of the recently published ARTIST trial and the Chinese data by Zhu and coworkers, indicate a superiority of adjuvant radiochemotherapy as compared to adjuvant chemotherapy in terms of disease free survival in Asian patients with advanced gastric carcinoma. The ongoing CRITICS trial is supposed to provide reliable conclusions about which therapy should be preferred in Western patients with gastric carcinoma. If radiotherapy is performed, modern approaches such as intensity-modulated radiotherapy and image guidance should be applied, as these methods reduce dose to organs at risk and provide a more homogenous coverage of planning target volumes

Texturbestimmung mittels mobiler Gamma-Spektrometrie: Was bringt die Auswertung mit Support Vector Machines?

Hochauflösende Informationen über Bodeneigenschaften sind essentielle Voraussetzungen für ressourcenschonende Landwirtschaft und den Einsatz von Precision Farming Technologien. Die Gamma-Spektrometrie liefert Daten, die nach Kalibration anhand von Referenzproben präzise quantitative Angaben zur Körnung im Oberboden ermöglichen. Vorarbeiten zeigen jedoch, dass eine Übertragung von Kalibrationsmodellen auf andere Substrate/Standorte nur eingeschränkt möglich ist. Unter Verwendung entsprechender nicht-linearer Support Vector Machines können standortübergreifende Vorhersagemodelle kalibriert werden, welche aufwendige standortspezifische Kalibrationen anhand von Referenzproben überflüssig machen, Zeit und Kosten sparen und somit den Weg für breite Anwendungsmöglichkeiten der Gamma-Spektrometrie ebnen. Bislang beziehen sich Kalibration und Validierung solcher Modelle zumeist auf zwar im Feld, aber dennoch stationär aufgenommene („stop-and-go“) Gammaspektren. Unser Teilprojekt im Rahmen des laufenden BonaRes-Verbundes „I4S“ versucht, die kürzlich erarbeiteten standortübergreifenden Vorhersagemodelle für Sand-, Schluff- und Tongehalt auf mobile, d.h. während der Fahrt („on-the-go“) erhobene Gammaspektren anzuwenden. Damit wäre – in Kombination mit den universellen, SVM-basierten Kalibrationsmodellen - eine wichtige Voraussetzung für die breite Akzeptanz im Precision Farming-Anwendungen gegeben

Lässt sich pflanzenverfügbares Phosphat mittels Infrarot-Spektroskopie bestimmen?

Die Analyse von Bodeneigenschaften mittels Infrarot-Spektroskopie (IR) im sichtbaren und Nahinfrarot (VisNIRS) bzw. im mittleren Infrarot (MIRS) hat in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht. Ein wesentlicher Vorteil der IR-Spektroskopie ist, dass ohne bzw. mit minimaler Probenaufbereitung sehr schnell viele Proben analysiert werden können. Das macht diese Technologie für das Precision Farming sehr interessant, weil für Anwendungen wie eine teilflächenspezifische Düngung viele Daten (hohe räumliche Auflösung) in kürzester Zeit benötigt werden. Verschiedene Parameter wie Textur, Humusgehalt und Carbonatgehalt können nach Literaturangaben und eigenen Vorarbeiten mit der IR-Spektroskopie bereits sehr gut abgeschätzt werden. Zur Qualität der Bestimmung mobiler Anteile von (Nähr-) Elementen gibt es jedoch z.T. widersprüchliche Ergebnisse. Das Poster soll den derzeitigen Stand der eigenen Untersuchungen zur Bestimmung von pflanzenverfügbarem (CAL-löslichen) Phosphat darstellen. Da Phosphat selber nicht IR-aktiv ist, kann eine Vorhersage mobiler P-Anteile nur indirekt über die bestimmenden Einflussgrößen erfolgen. Erfolg oder Misserfolg bzw. die Qualität der Vorhersage von CAL-P hängt daher stark von der Zusammenstellung der Proben ab, die zur Kalibration von Vorhersagemodellen verwendet werden. Die bereits vorliegenden Ergebnisse zur VisNIR-Spektroskopie zeigen, dass das bodenbildende Substrat, aber auch die Bewirtschaftungsgeschichte (z.B. Düngungsmaßnahmen, angebaute Kulturen) großen Einfluss haben. Im Rahmen unseres Teilprojektes im BonaRes-Verbund „I4S“ laufen derzeit entsprechende Untersuchungen mittels MIRS, deren Ergebnisse ebenfalls in dem Beitrag gezeigt werden sollen

Aufbau einer nationalen Infrarot-Spektrenbibliothek für Bodenproben

Die mittlere Infrarot-Spektroskopie (MIRS) ist eine laborbasierte Analysentechnik, die es erlaubt, mit vergleichsweise geringem Aufwand eine Vielzahl von Bodeneigenschaften abzuleiten. MIRS ist aktuell ein Bindeglied zwischen sehr präzisen konventionellen Laboranalysen und oft weniger präzisen nicht-invasiven Sensoren, die direkt im Gelände Daten erfassen (z.B. EMI, Vis-NIRS). Da MIR-Spektren nur Proxy-Daten für interessierende Bodenparameter liefern, sind Kalibrationen erforderlich, die statistische Beziehungen zwischen den Ergebnissen konventioneller Laboranalysen und MIR-Spektren herstellen (z.B. mittels PLSR). Diese Kalibrationsmodelle haben in aller Regel nur lokale Gültigkeit, was einen breiteren Einsatz von MIRS in der Bodenuntersuchung bislang behindert. Im Rahmen eines Teilprojektes im BonaRes-Verbund „I4S“ ist es unser Ziel, mit dem Aufbau einer deutschlandweiten MIR-Spektrenbibliothek dieses Manko zu minimieren. Das heißt im Wesentlichen, wir sammeln aus verschiedenen Bodenarchiven bereits konventionell analysierte Bodenproben und nehmen deren MIR-Spektren auf. Unsere Hypothese ist, dass eine umfassende Spektrenbibliothek potenziell zwei Dinge ermöglicht: (A) Robuste, multivariate Auswerteverfahren erlauben vor diesem Hintergrund eine auch überregional gültige Modellbildung. (B) Bei neu zu untersuchenden Bodenproben können deren MIR-Spektren genutzt werden, um in der Bibliothek ähnliche Spektren zu suchen, die dann für eine quasi-lokale Kalibration nutzbar sind. Anhand eines Datensatzes von etwa 1000 Bodenproben aus dem LUCAS-Archiv des Joint Research Center der EU in Ispra (Italien) werden wir beispielhaft zeigen, mit welcher Qualität deutschlandweit gültige Kalibrationsmodelle machbar sind

Ergebnisse aus 10 Jahren Humusmonitoring auf Ackerflächen in Nordrhein-Westfalen

Seit 2009 wird vom Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz Nordrhein-Westfalen (LANUV NRW) in Zusammenarbeit mit dem Geologischen Dienst NRW, der Landwirtschaftskammer NRW sowie der Universität Bonn ein Humusmonitoringprogramm in Nordrhein-Westfalen durchgeführt. Ziele sind die Bestimmung der Gehalte und Vorräte an organischem Kohlenstoff (Corg) von Ackerböden in Nordrhein-Westfalen sowie die Abschätzung von Veränderungen der Corg-Gehalte und Vorräte. Zusätzlich sollen die Einflussfaktoren, wie z.B. Klimawandel und die landwirtschaftliche Nutzung, auf Gehalte und Vorräte ermittelt werden. Die Ergebnisse sollen auch eine wissen-schaftlich fundierte Basis schaffen, um die Landwirte bei allen Fragen der Humuspflege optimal zu beraten. Die Corg-Gehalte der Beprobung von 197 Flächen in 2009 liegen in einer Spanne von 0,7 bis 3,4 % mit deutlichen Unterschieden zwischen den untersuchten naturräumlichen Regionen. Rund 75 % der Flächen weisen Gehalte zwischen 1 und 2 % Corg auf. Die bisherigen Ergebnisse im Intensivmonitoring (2009 – 2018) von 45 ausgewählten Ackerflächen zeigen bisher keine NRW-weit gerichtete Entwicklung bei den Corg-Gehalten. Es sind jedoch regionale Trends zu beobachten. Multivariate Auswertungen haben gezeigt, dass insgesamt die organische Düngung, der Corg-Gehalt zu Beginn der Messreihe sowie die Temperaturzunahme den größten Einfluss auf die Veränderung der Corg-Gehalte aller 45 Flächen haben. Hervorzuheben sind dabei das Niederrheinische Tiefland und die Rheinische Bucht, in denen in den letzten zehn Jahren im Oberboden eine signifikante Zunahme der Corg-Gehalte zu beobachten ist und dies vermutlich vor allem auf die Zufuhr organischer Dünger zurückzuführen ist

Gamma-Spektrometrie zur digitalen Bodenkartierung auf Feld- und Landschaftsskala

Die feldskalige Variation von Bodeneigenschaften wird zunehmend durch geophysikalische Sensor-Erkundung abgebildet (Bodenradar, elektrische Leitfähigkeit/Widerstand). Dabei gewinnt auch die Anwendung Gamma-spektrometrischer Verfahren an Bedeutung. Sowohl boden- als auch luftgestützte kontinuierliche Messungen der natürlichen Radionuklide sind als gute Proxies für Oberbodeneigenschaften bekannt, müssen jedoch auf ihre Anwendbarkeit und Übertragbarkeit innerhalb einer Skala (z.B. Feld) und über Skalengrenzen hinweg (regionale Ansätze) getestet werden. Es soll die Frage beantwortet werden, ob Bodeneigenschaften und ihre räumliche Verteilung innerhalb der Nordostdeutschen Jungmoränenlandschaft bei vergleichbarem geologischem Ausgangsgestein durch die Gamma-Spektrometrie abgebildet und quanifiziert werden können. Zwei Landschaftsausschnitte in der Uckermark (Kraatz, 10 km² und Dedelow, 12 km²) wurden im Herbst 2014 durch eine Hubschrauberbefliegung kartiert. Innerhalb dieser beiden Gebiete wurde jeweils ein Feld (25 ha) annähernd zeitgleich mit einem Traktor-gestützten Messsystem befahren und durch Bodenuntersuchungen an 120 Referenzpunkten begleitet. Auf der Feldskala wurden die boden- und luftgestützten Gamma-spektrometrischen Verteilungskarten für die Gesamtzählraten, K, U und Th mit den punktspezifischen Bodeninformationen in Beziehung gesetzt. Für die Gebietsskala wurden vorhandene Bodenkartenwerke mit den Hubschrauber-spektrometrischen Karten verglichen. Karten unterschiedlicher Rasterzellgrößen wurden auf ihre räumliche Beziehung zu Bodentextureigenschaften an den Referenzpunkten und deren Gültigkeit bzw. Übertragbarkeit auf andere Felder untersucht. Auf der Feldskala waren die bodengestützten Gamma-Informationen in ihrer Genauigkeit an den Referenzpunkten den luftgestützten Informationen überlegen (größerer räumlicher Footprint der Hubschraubermessung). Unabhängig davon sind luftgestützte Gamma-spektroskopische Kartierungen das Mittel der Wahl, um räumliche Muster größerer Landschaftsausschnitte zu kartieren

The SBRT database initiative of the German Society for Radiation Oncology (DEGRO): patterns of care and outcome analysis of stereotactic body radiotherapy (SBRT) for liver oligometastases in 474 patients with 623 metastases

Background: The intent of this pooled analysis as part of the German society for radiation oncology (DEGRO)stereotactic body radiotherapy (SBRT) initiative was to analyze the patterns of care of SBRT for liver oligometastases and to derive factors influencing treated metastases control and overall survival in a large patient cohort. Methods: From 17 German and Swiss centers, data on all patients treated for liver oligometastases with SBRT since its introduction in 1997 has been collected and entered into a centralized database. In addition to patient and tumor characteristics, data on immobilization, image guidance and motion management as well as dose prescription and fractionation has been gathered. Besides dose response and survival statistics, time trends of the aforementioned variables have been investigated. Results: In total, 474 patients with 623 liver oligometastases (median 1 lesion/patient; range 1–4) have been collected from 1997 until 2015. Predominant histologies were colorectal cancer (n= 213 pts.; 300 lesions) and breast cancer (n= 57; 81 lesions). All centers employed an SBRT specific setup. Initially, stereotactic coordinates and CT simulation were used for treatment set-up (55%), but eventually were replaced by CBCT guidance (28%) or more recently robotic tracking (17%). High variance in fraction (fx) number (median 1 fx; range 1–13) and dose per fraction (median: 18.5 Gy; range 3–37.5 Gy) was observed, although median BED remained consistently high after an initial learning curve. Median follow-up time was 15 months; median overall survival after SBRT was 24 months. One- and 2-year treated metastases control rate of treated lesions was 77% and 64%; if maximum isocenter biological equivalent dose (BED) was greater than 150 Gy EQD2Gy, it increased to 83% and 70%, respectively. Besides radiation dose colorectal and breast histology and motion management methods were associated with improved treated metastases control

Interobserver agreement on definition of the target volume in stereotactic radiotherapy for pancreatic adenocarcinoma using different imaging modalities

PURPOSE The aim of this study was to evaluate interobserver agreement (IOA) on target volume definition for pancreatic cancer (PACA) within the Radiosurgery and Stereotactic Radiotherapy Working Group of the German Society of Radiation Oncology (DEGRO) and to identify the influence of imaging modalities on the definition of the target volumes. METHODS Two cases of locally advanced PACA and one local recurrence were selected from a large SBRT database. Delineation was based on either a planning 4D CT with or without (w/wo) IV contrast, w/wo PET/CT, and w/wo diagnostic MRI. Novel compared to other studies, a combination of four metrics was used to integrate several aspects of target volume segmentation: the Dice coefficient (DSC), the Hausdorff distance (HD), the probabilistic distance (PBD), and the volumetric similarity (VS). RESULTS For all three GTVs, the median DSC was 0.75 (range 0.17-0.95), the median HD 15 (range 3.22-67.11) mm, the median PBD 0.33 (range 0.06-4.86), and the median VS was 0.88 (range 0.31-1). For ITVs and PTVs the results were similar. When comparing the imaging modalities for delineation, the best agreement for the GTV was achieved using PET/CT, and for the ITV and PTV using 4D PET/CT, in treatment position with abdominal compression. CONCLUSION Overall, there was good GTV agreement (DSC). Combined metrics appeared to allow a more valid detection of interobserver variation. For SBRT, either 4D PET/CT or 3D PET/CT in treatment position with abdominal compression leads to better agreement and should be considered as a very useful imaging modality for the definition of treatment volumes in pancreatic SBRT. Contouring does not appear to be the weakest link in the treatment planning chain of SBRT for PACA