German Title: Entwicklung eines Pencil-Beam-Algorithmus zur schnellen Dosisberechnung für die keV-Bildgebung in der bildgeführten Strahlentherapie

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Abstract

Over the last years, the introduction of image guided radiotherapy into clinical practice has led to an increased exposure of patients to radiation in keV imaging procedures. Daily imaging can signi cantly contribute to the dose in the organs at risk. The accurate assessment of this additional dose due to imaging is essential for the inclusion of the dose into the therapy planning process. In this work, the development of a fast patient speci c dose calculation algorithm for the keV energy range is presented. The algorithm is based on a pencil beam algorithm combined with semi-empirical factors for the scaling of depth and dose to account for inhomogeneities. To achieve a high accuracy, a high number of di erent body tissues is included in the design of the algorithm as well as in the Monte Carlo simulation used as the gold standard. The accuracy and limitations of the algorithm are evaluated for di erent phantom and patient geometries. For the application to patients, the proposed algorithm is shown to accurately calculate the mean dose in organs at risk for all beam geometries and accurate dose distributions for the full patient geometries for cone beam CT acquisitions within a very short timeframe.

Translation of abstract (German)

Die Einführung der bildgesteuerten Strahlentherapie in die klinische Routine im Verlauf der letzten Jahre hat zu einer verstärkten Strahlenbelastung der Patienten durch keV-Bildgebung geführt. Eine tägliche Bildgebung, z.B. zur Lagerungskontrolle, kann zu einer signi kanten zusätzlichen Dosisbelastung in Risikoorganen führen. Eine möglichst genaue Abschätzung dieser Dosis bildet die Grundlage für die Integration der Dosis in die Bestrahlungsplanung. Diese Arbeit präsentiert die Entwicklung eines schnellen Algorithmus zur Dosisberechnung für individuelle Patientengeometrien für den Einsatz im keV-Energiebereich. Der vorgestellte Algorithmus basiert auf einem Pencil-Beam- Algorithmus, der für die Einbeziehung von Inhomogenitäten mit empirischen Tiefen- und Dosisskalierungsfaktoren kombiniert wird. Um eine hohe Genauigkeit zu erreichen wird sowohl im Design des Algorithmus, als auch in den Monte-Carlo Simulationen, die als Gold Standard dienen, eine hohe Anzahl unterschiedlicher Gewebetypen berücksichtigt. Die Genauigkeit und die Limitationen des Algorithmus werden für Phantom und Patientengeometrien analysiert. Es wird gezeigt, dass der entwickelte Pencil-Beam-Algorithmus in der Anwendung für Patienten für alle untersuchten Kon gurationen eine genaue Vorhersage der mittleren Dosis in Risikoorganen ermöglicht und für Cone-Beam-CT- Aufnahmen die Möglichkeit zur präzisen Berechnung ganzer Dosisverteilungen im Patienten innerhalb einiger Minuten bietet.