thesis

Non-invasive lung tumor motion estimation and mitigation in real-time during radiation therapy

Abstract

Die interfraktionelle Bewegung von Lungentumoren während der Applikation von externer Strahlentherapie kann ein limitierender Faktor für den ehandlungserfolg sein. Tumorbewegung kann sowohl eine Unterdosierung des Zielvolumens als auch eine schwerwiegende Überdosierung des umliegenden gesunden Gewebes zur Folge haben. Die vorliegende Arbeit besteht aus drei Teilen. Im ersten Teil wird eine Methode zur bildgestützten Bewegungsabschätzung von Lungentumoren in Echtzeit vorgestellt. Vorteile des Verfahrens sind die Unabhängigkeit von implantierten Markern (Pneumothorax Risiko) und die Vermeidung von zusätzlicher Bildgebungsstahlendosis, da das Verfahren mit dem Therapiestrahl akquirierte fluoroskopische Bildsequenzen nutzt. Die Validierung erfolgte sowohl anhand von Bildern, die mit einem beweglichen Thoraxphantom aufgenommen wurden, als auch anhand von Bildern, die während einer Reihe von Lungenstereotaxiebehandlungen aufgenommen wurden. Der Fehler (rmse) wurde für den Phantomdatensatz zu < 1mm und für den klinischen Datensatz zu (2.1 ± 1.7)mm bestimmt. Der zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Implementierung und Charakterisierung eines dynamischen, adaptiven Bestralungsystems, das durch das Nachführen des Therapiestrahls in Echtzeit Bewegungen des Zielvolumens kompensieren kann. Das System nutzt eine computergestützte, dynamisch ansteuerbare Strahlungsapertur (MLC), welche mit der Position des Zielvolumens aus dem ersten Teil in Echtzeit angesteuert wird. Die Latenzzeit wurde gemessen ( 250 ms) und durch einen linearen Vorhersagealgorithmus kompensiert. Das System wurde mit einem mit Lungentumortrajektorien programmierten dynamischen Thoraxphantom getestet. Der Fehler konnte von 2.4mm bis 3.5mm auf unter 1mm reduziert werden. Im dritten Teil dieser Arbeit wird der Algorithmus vom ersten Teil eingesetzt, um nach jeder Fraktion einer Lungenstereotaxiebehandlung die applizierte Dosis zu berechnen. Das Konzept wurde mit einem dynamischen Thoraxphantom validiert. Mit der retrospektiven Bildanalyse einer Lungenstereotaxiebehandlung konnte gezeigt werden, daß sich fraktionelle Unterdosierungen des Zielvolumens, etwa durch nicht optimale Patientenpositionierung, mit dieser Methode in Form eines Dosis-Volumen Histogramms (DVH) quantifizieren lassen

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