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New concepts for beam angle selection in IMRT treatment planning : From heuristics to combinatorial optimization

Bangert, Mark

German Title: Neue Konzepte zur Auswahl von Einstrahlrichtungen für die IMRT Planung : Von Heuristiken zu kombinatorischer Optimierung

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Abstract

This thesis investigates beam ensemble selection strategies in intensity-modulated radiation therapy treatment planning. Beam ensemble selection strategies are applied to find the very beam ensembles that meet the treatments' objectives at the best possible rate. (1) A formal description of the beam ensemble selection problem is presented and the characteristics of the search space is discussed with a focus on its non-convexity and exponential complexity. (2) We review existing approaches to beam ensemble selection and provide a comprehensive overview of the field. (3) Conceptual advancements of beam ensemble selection strategies relying on score functions and geometric considerations are introduced. For photons, we demonstrate a clear benefit regarding organ at risk sparing for asymmetric patient geometries as regularly observed within the abdomen or skull. For protons, phantom studies yield plausible beam configurations. The measures taken to guarantee robustness regarding potential uncertainties are promising but require refinements. (4) The simultaneous optimization of beamlet weights and beam orientations is investigated at a very high precision. We apply different metaheuristics for the combinatorial optimization of beam ensembles and confirm the beneficial performance of genetic algorithms in this context. Both heuristic selection and combinatorial optimization of beam ensembles may yield extensive benefits for complicated planning cases. In the future it will be critical to transfer automated beam ensemble selection to the clinic for the benefit of the patient.

Translation of abstract (German)

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Verfahren zur Auswahl von geeigneten Einstrahlrichtungen in der intensitätsmodulierten Strahlentherapie. Diese Verfahren werden eingesetzt, um ein Ensemble von Einstrahlrichtungen zu finden, welches die bestmögliche Realisierung der klinischen Bestrahlungsziele ermöglicht. (1) Wir geben eine formale, mathematische Beschreibung des Auswahlproblems von optimalen Einstrahlrichtungen und diskutieren die Eigenschaften des Lösungsraums, insbesondere im Hinblick auf Nicht-Konvexität und exponentielle Komplexität. (2) Wir diskutieren bestehende Ansätze im Rahmen einer umfassenden Literaturauswertung. (3) Konzeptionelle Weiterentwicklungen von Strategien zur Auswahl von Einstrahlrichtungen, die auf skalaren Gütefunktionen oder geometrischen Überlegungen basieren, werden vorgestellt. Für Photonen demonstrieren wir deutliche Verbesserungen für asymmetrische Patientengeometrien, wie sie häufig im Abdomen oder Schädel auftreten. Erste Experimente für Protonen liefern plausible Einstrahlrichtungen. Die Ansätze zur Gewährleistung von Robustheit sind vielversprechend, bedürfen aber weiterer Verbesserungen. (4) Wir untersuchen die gleichzeitige Optimierung von Einstrahlrichtungen und zugehörigen Fluenzprofilen mit sehr hoher Genauigkeit. In einem Vergleich verschiedener Metaheuristiken zur kombinatorischen Optimierung zeichnet sich ein genetischer Algorithmus durch die besten Konvergenzeigenschaften und die besten resultierenden Bestrahlungspläne aus. Sowohl der Einsatz von Heuristiken als auch der Einsatz von kombinatorischen Optimierungsverfahren zur Auswahl von Einstrahlrichtungen kann eine erhebliche Verbesserung komplizierter Bestrahlungspläne ermöglichen. Wir erachten die klinische Implementierung und Evaluierung der entwickelten Konzepte als Hauptaufgabe für die Zukunft.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Oelfke, Prof. Dr. Uwe
Date of thesis defense: 20 July 2011
Date Deposited: 26 Jul 2011 11:01
Date: 2011
Faculties / Institutes: Service facilities > German Cancer Research Center (DKFZ)
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Strahlentherapie
Uncontrolled Keywords: Bestrahlungsplanung , Richtungsauswahl , IMRTTreatment plannig , IMRT , beam angle selection , beam angle optimization
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