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Potentials and Risks of Advanced Radiobiological Treatment Planning for Proton and Carbon Ion Therapy

Frese, Malte Christian

German Title: Chancen und Risiken der fortschrittlichen radiobiologischen Bestrahlungsplanung in der Protonen- und Kohlenstofftherapie

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Abstract

After fifty years of particle therapy the technical capabilities are far advanced. Nevertheless, radiation biology is still poorly understood. Dose prescription and biological effect calculation are subject to large errors. It is the aim of this work to give a better understanding of the benefits but also the limitations and risks of particle therapy. In the first part of this thesis we studied and extended an existing biological treatment planning method for protons and carbon ions. We compared the simultaneous and sequential application of carbon ion boosts, the influence of constant and variable relative biological effectiveness models in proton therapy, and the robustness of worst case and conventionally optimized treatment plans. The second part of this thesis focuses on improving radiobiological models. We developed an analytical model to calculate the linear energy transfer of carbon ion fragments, presented a method to incorporate oxygen effects into treatment planning, and extended the mechanistic repair-misrepair-fixation model to predict the biological effect of real proton and carbon ion treatment plans. In conclusion, we believe that significant advances in radiation biology will require more long term experience from systematic studies where human influence on plan quality is minimized. Prompt improvements could be achieved by drastically extending the use of advanced optimization algorithms.

Translation of abstract (German)

Die technischen Möglichkeiten der Strahlentherapie mit Teilchen sind nach mehr als fünfzig Jahren Erfahrung sehr weit fortgeschritten. Für die Strahlenbiologie gilt dies nur eingeschränkt. Dosisverschreibung und die Berechnung des biologischen Eff ekts sind immernoch mit großen Fehlern behaftet. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Möglichkeiten aber auch die Grenzen und Risiken der Teilchentherapie besser zu verstehen. Im ersten Teil der Arbeit wurde eine existierende biologische Bestrahlungsplanung für Kohlenstoffionen und Protonen untersucht und erweitert. Dabei verglichen wir die Anwendungen von simultanen und sequentiellen Kohlenstoff boostbestrahlungen, den Einfluss von konstanter und variabler relativer biologischer Wirksamkeit in der Protonentherapie und die Robustheit von "Worst Case" optimierten und konventionellen Bestrahlungsplänen. Der zweite Teil der Arbeit widmet sich der der Verbesserung radiobiologischer Modelle. Hierzu entwickelten wir ein analytisches Modell, um den linearen Energietransfer von Kohlensto fffragmenten zu berechnen, stellten eine Methode vor, die den Einfluss von Sauersto ff auf das Zellüberleben in die Bestrahlungsplanung einbindet, und erweiterten das mechanistische "Repair-Misrepair-Fixation" Modell, um den biologischen Eff ekt von realistischen Protonen- und Kohlenstoffionenstrahlen besser vorhersagen zu können. Abschließend stellen wir fest, dass entscheidende Fortschritte in der Strahlenbiologie weitere langfristige und systematische Studien voraussetzen. Kurzfristig sollte der Schwerpunkt daher auf den Einsatz ausgeklügelter Optimierungsroutinen gelegt werden.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Oelfke, Prof. Dr. Uwe
Date of thesis defense: 20 July 2011
Date Deposited: 26 Jul 2011 10:56
Date: 2011
Faculties / Institutes: Service facilities > German Cancer Research Center (DKFZ)
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Strahlentherapie, Protonentherapie
Uncontrolled Keywords: Kohlenstoffionentherpie , biologische OptimierungCarbon ion therapy , proton therapy , radiobiology , radiobiological optimization
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