Untersuchungen zur Anwendbarkeit des inversen Monte-Carlo-Planungssystems IKO zur gezielten Dosismodulation im Tumor und deren dosimetrische Verifikation

Seit der Entdeckung der Röntgenstrahlen ist die nichtinvasive Bildgebung in der Medizin nicht mehr wegzudenken. Neue Bildgebungsverfahren wie PET (Positronen-Emissions-Tomographie), SPECT (single photon emission computed tomography) oder Kernspinspektroskopie (functional magnetic resonance imaging, fMRI) liefern dreidimensional aufgelöste Informationen über biologische Vorgänge und die chemische Zusammensetzung im Körper. In der Strahlentherapie wird diese biologische Bildgebung verwendet um die Dosis an die Physiologie der Tumorzellen anzupassen und somit eine bessere Tumorkontrolle - bei gleichzeitiger Schonung der gesunden Organe - zu erreichen. Diese als Dose Painting bezeichneten, lokalen Dosismodulationen erfordern von einem Bestrahlungsplanungssystem die Fähigkeit, eine gezielt inhomogene Dosisverteilung zu realisieren. In dieser Arbeit wird das von M. Hartmann in Regensburg entwickelte inverse Monte-Carlo-Planungssystem IKO auf seine Anwendbarkeit zur gezielten Dosiseskalation hin untersucht. Einfache zwei- und dreidimensionale Strukturen in einem Phantom sollen Aufschluss darüber geben, bis zu welcher Strukturgröße IKO scharfe Dosisgradienten realisieren kann. Anhand zweier Prostata-Pläne und eines HNO-Plans wird die Fähigkeit untersucht, Pläne mit mehreren Zielvolumina zu optimieren. Da die endgültigen Feldgrenzen erst nach der Optimierung durch IKO, während der so genannten Segmentierung festgelegt werden, kann der Dosisberechnungsalgorithmus von IKO die durch die Strahlenfeldbegrenzung verursachten Effekte nicht berücksichtigen. Die Segmentierungssoftware IMFAST(R) (Siemens) nähert die von IKO optimierten Intensitätsverteilungen durch eine Überlagerung bestrahlbarer Felder (Segmente) und zugehöriger Strahlgewichte. Der durch die Näherung unvermeidbare Qualitätsverlust soll durch eine Reoptimierung der Segmentgewichte minimiert werden. Ein entsprechendes Programm wurde entwickelt und anhand eines Prostata-Plans und eines HNO-Plans untersucht. Im Zusammenhang mit der Reoptimierung der Segmentgewichte wurde von Z. Morávek eine Optimierungsbedingung in IKO implementiert die Intensitätsgradienten und -extrema vermeiden soll (Glättung). Diese wurde ebenfalls an einem Prostata- und einem HNO-Plan untersucht. Ein großer Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Einführung von IKO in die klinische Routine. Dazu war es notwendig, die mit IKO erstellten Bestrahlungspläne in ein, im klinischen Einsatz verwendetes, Bestrahlungsplanungssystem zu importieren und dort zu verifizieren. An einem HNO- und einem Lungen-Tumor wird der Ablauf der Bestrahlungsplanung demonstriert. Als dosimetrische Verifikation hat sich die Filmdosimetrie in einem Phantom bewährt. Bei der Verifikation eines IKO-optimierten Plans wurde ein neuer selbstentwickelnder Filmtyp (Gafchromic(R)) in Verbindung mit einem Durchlichtscanner (Microtek 9800XL mit TMA 1600) getestet und mit der bisherigen Kombination aus Dunkelkammerfilm (Kodak EDR2) und Videodensitometer (Wellhöfer WD700i) verglichen

Entwicklung einer biologisch adaptierten intensitätsmodulierten Strahlentherapieplanung auf der Basis molekularbiologischer Bildgebungsverfahren

Der Einsatz biologischer und funktioneller Bildgebung zur Definition des Zielvolumens in der Strahlentherapie ist bereits heute weit verbreitet. Eine Integration derartiger Bildgebung im Sinne von Dosepainting by Numbers in die Strahlentherapieplanung führt zu einer heterogenen Dosisverschreibung innerhalb des Tumors. Sie stellt somit eine neue Herausforderung für Bestrahlungsplanungssysteme und Bestrahlungsmodalitäten dar. In dieser Arbeit wurde eine biologisch adaptierte Bestrahlungsplanung basierend auf einer 18F-Fluoroethyltyrosin (FET) Positronenemissionstomography (PET) bei Hirntumoren entwickelt und untersucht. In Ermangelung konkreter experimenteller oder klinischer Erkenntnisse wurde als erster Ansatz auf ein lineares Modell zurückgegriffen, welches die Aktivität eines Volumenelements auf die Dosisvorgabe abbildet. Untere und obere Dosis- bzw. Aktivitätsschranken wurden definiert, um eine Unter- bzw. Überdosierung zu verhindern. Die voxelweise Dosisvorgabe wurde in die Zielfunktion des in der Klinik für Strahlentherapie des Universitätsklinikums Regensburg entwickelten inversen Monte Carlo Bestrahlungsplanungssystem IKO implementiert und Bestrahlungspläne für die intensitätsmodulierte Radiotherapie (IMRT) und die intensitätsmodulierte Protonentherapie (IMPT) erstellt. In einer weiteren Planungsstudie wurden die Möglichkeiten einer Dosiseskalation auf die 18F-FET anreichernden Subvolumina innerhalb des Zielvolumens untersucht. Zu diesem Zweck wurde die obere Dosisgrenze des linearen Modells schrittweise angehoben und die Dosisbelastung des umliegenden Gewebes ausgewertet. Als Weiterentwicklung des linearen Modells wurde eine Bestrahlungsplanung auf der Grundlage der Tumorkontrollwahrscheinlichkeit (tumor control probability, TCP) entwickelt. Die Dosisvorgabe wurde mit Hilfe einer von Y. Yang und L. Xing entwickelten Formel in Abhängigkeit der strahlenbiologischen Parameter alpha und alpha/beta sowie der Zellverdopplungsrate und der klonogenen Zelldichte bestimmt. Eine Analyse der Dosisvorgabe in Abhängigkeit der vier Parameter zeigte, dass eine Variation der Parameter alpha und alpha/beta zur größten Dosisvarianz führte. Aus diesem Grund wurde wiederum ein linearer hypothetischer Ansatz gemacht, um die 18F-FET Anreicherung auf die Parameter alpha und alpha/beta abzubilden. Für die resultierenden Dosisvorgaben wurden IMRT und IMPT Bestrahlungspläne erstellt. Die Ergebnisse zeigten, dass mit IKO eine Bestrahlungsplanung im Sinne von Dosepainting by Numbers auf der Grundlage einer 18F-FET PET möglich war. Dabei stellte sich heraus, dass mit Protonen, aufgrund ihrer durch den Bragg-Peak charakterisierten Dosisverteilung, eine präzisere Dosismodulation und eine bessere Schonung des gesunden Gewebes erreicht werden konnte. In der Dosiseskalationsstudie war eine deutliche Dosiseskalation auf 18F-FET anreichernde Areale innerhalb des Tumorvolumens ohne zusätzliche Dosisbelastung für das gesunde Gewebe sowohl mit Protonen, als auch mit Photonen möglich. Eine TCP-basierte Bestrahlungsplanung wurde mit Protonen erfolgreich umgesetzt. Die TCP der optimierten Bestrahlungspläne variierte zwischen 74% und 100%. Bei den IMRT-Plänen konnte nur in einem Fall eine TCP von 69% erreicht werden. Die anderen beiden Pläne ergaben eine TCP zwischen 0% und 4%. Eine Strahlentherapie im Sinne von Dosepainting by Numbers stellt nicht nur eine hohe Anforderung an die Bestrahlungsplanung, sondern auch an die Qualitätssicherung. Aus diesem Grund wurden in dieser Arbeit der Monte Carlo Dosisalgorithmus XVMC mit dem Strahlerkopfmodell dosimetrisch verifiziert und ein Verfahren zur patientenspezifischen Bestrahlungsplanverifikation mit XVMC vorgestellt

A biologically adapted dose-escalation approach, demonstrated for 18F-FET-PET in brain tumors

Assuming that regions with high tracer uptake can be interpreted as target for radiotherapy, (18)F-FET-PET-based "dose painting by numbers" applied to brain tumors is a feasible approach. The dose, and therefore potentially the chance of tumor control, can be enhanced. The proposed model can easily be transferred to other tracers and tumor entities

18F-FET-PET-based dose painting by numbers with protons

The presented investigation fortifies the feasibility of (18)F-FET-PET-based dose painting with protons

Fast direct Monte Carlo optimization using the inverse kernel approach

The loss of treatment plan quality after segmentation following fluence optimization is a problem in IMRT. In a previous publication we showed that re-optimization helps to re-establish part of the plan quality. Recently the so-called direct aperture optimization method has been introduced to successfully overcome that difficulty. The aim of the present paper is to present in detail the integration of the inverse kernel method into direct aperture optimization. It can be shown that this integration leads to a system with high performance with regard to time, while Monte Carlo precision is maintained. The integrated simulated annealing optimization algorithm allows easy adaptation to any multi-leaf collimator and it is open to any complex objective function. Investigations of simulated annealing control parameters are performed to improve the performance. The system denoted by direct Monte Carlo optimization (DMCO) is demonstrated on the Carpet phantom and a clinical prostate case as well. Results are compared to inverse kernel optimizations, showing a remarkable time reduction and simultaneously an improvement in plan quality for the Carpet phantom

Monte Carlo simulations to replace film dosimetry in IMRT verification

Patient-specific verification of intensity-modulated radiation therapy (IMRT) plans can be done by dosimetric measurements or by independent dose or monitor unit calculations. The aim of this study was the clinical evaluation of IMRT verification based on a fast Monte Carlo (MC) program with regard to possible benefits compared to commonly used film dosimetry. 25 head-and-neck IMRT plans were recalculated by a pencil beam based treatment planning system (TPS) using an appropriate quality assurance (QA) phantom. All plans were verified both by film and diode dosimetry and compared to MC simulations. The irradiated films, the results of diode measurements and the computed dose distributions were evaluated, and the data were compared on the basis of gamma maps and dose-difference histograms. Average deviations in the high-dose region between diode measurements and point dose calculations performed with the TPS and MC program were 0.7 ± 2.7% and 1.2 ± 3.1%, respectively. For film measurements, the mean gamma values with 3% dose difference and 3mm distance-to-agreement were 0.74 ± 0.28 (TPS as reference) with dose deviations up to 10%. Corresponding values were significantly reduced to 0.34 ± 0.09 for MC dose calculation. The total time needed for both verification procedures is comparable, however, by far less labor intensive in the case of MC simulations. The presented study showed that independent dose calculation verification of IMRT plans with a fast MC program has the potential to eclipse film dosimetry more and more in the near future. Thus, the linac-specific QA part will necessarily become more important. In combination with MC simulations and due to the simple set-up, point-dose measurements for dosimetric plausibility checks are recommended at least in the IMRT introduction phase

[18F]-fluoro-ethyl-L-tyrosine PET: a valuable diagnostic tool in neuro-oncology, but not all that glitters is glioma

(18)F-FET PET has a high sensitivity for the detection of high-grade brain tumors. Its specificity, however, is limited by passive tracer influx through a disrupted blood-brain barrier and (18)F-FET uptake in nonneoplastic brain lesions. Gliomas show specific tracer uptake in the absence of CE on MRI, which most likely reflects biologically active tumor