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Opportunities and limitations of multileaf collimator based intensity modulated proton therapy

Daartz, Juliane

German Title: Potenzial und Limitierungen von MLC basierter IMPT Anwendung

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Abstract

The vast majority of proton therapy institutes employ passive scattering beamlines. Treatments are delivered by means of laterally and distally conformed homogeneous dose distributions for each beam direction by utilizing spread-out Bragg peaks and custom milled hardware. Most newly built proton facilities rely upon scanned proton beams to provide intensity modulated therapy (IMPT), improvements in treatment planning and delivery workflow. This thesis investigates the benefits of IMPT in fixed proton therapy beamlines and describes aspects of multileaf collimator (MLC) based IMPT delivery. We show that IMPT has the potential to increase the range of applications for fixed proton therapy beamlines. A method for sequencing intensity modulated treatment plans into a set of segments is presented and evaluated based on results obtained for a set of clinical situations. The resulting numbers of segments made delivery technically and logistically feasible. Neutron dose was found acceptable given a well optimized beamline. The dosimetric properties of one specific multileaf collimator were investigated experimentally and compared to custom milled apertures. Small differences were found, but those are clinically insignificant in the vast majority of clinical cases. Finally, an extensive set of measurements for accurate determination of the peak dose as a function of field size is described.

Translation of abstract (German)

Die Mehrheit existierender Protonentherapiezentren nutzt passiv streuende Protonenstrahlenanlagen. Patientenbehandlungen basieren auf lateral und distal konformierten homogenen Dosisverteilungen, die von jedem einzelnen Strahl durch spread-out Bragg Peaks und individuell gefertigte Kollimatoren und Kompensatoren geliefert werden. Die Mehrheit der im Bau befindlichen Protonenzentren installiert Scanning Systeme auf Grund ihrer Faehigkeit zu intensitaetsmodulierter Protonentherapie (IMPT), sowie ihrer Vorteile im Bezug auf Vereinfachung der Arbeitsablaeufe der Bestrahlungsplanung und -lieferung. Das Potenzial von IMPT speziell im Bezug auf fixe Protonenstrahlen liegt in einer Erweiterung derer Anwendungsmoeglichkeiten. Diese Arbeit schlaegt Multileafkollimatoren (MLCs) fuer die nachtraegliche Ausuestung existierender passiv streuender Protonenstrahlanlagen zur Anwendung fuer IMPT vor. Es wird eine Methode zur Sequenzierung von Dosisverteilungen in Serien von Einzelsegmenten vorgestellt und anhand einer Gruppe klinischer Anwendungen evaluiert. Basierend auf der resultierenden Anzahl von Segmenten pro Strahlrichtung waere die praktische Umsetzung der vorgeschlagenen Methode technisch und logistisch moeglich. Die Neutronendosis war akzeptabel mit der Bedingung einer optimal abgestimmten Protonenstrahlanlage. Die dosimetrischen Eigenschaften eines speziellen MLCs wurden untersucht und mit den ueblich benutzten individuell gefertigten Messingaperturen verglichen. Die gefunden Unterschiede sind klein und in der Mehrheit klinischer Anwendungen vernachslaessigbar. Abschliessend wird die Relation zwischen Strahlmaximumsdosis und Feldgroesse als wichtiger Teil der MLC basierten IMPT Dosislieferung eroertert.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Oelfke, Prof. Dr. Uwe
Date of thesis defense: 4. May 2011
Date Deposited: 08. Jun 2011 12:09
Date: 2011
Faculties / Institutes: Service facilities > German Cancer Research Center (DKFZ)
Subjects: 530 Physics
Uncontrolled Keywords: Teilchentherapie , Intensitaetsmodulation , Multileafkollimatorparticle therapy , intensity modulation , multileaf collimator
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