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Compensation of intra-fractional organ motion through multileaf collimator tracking

Krauß, Andreas

German Title: Kompensation intra-fraktioneller Organbewegungen mit Hilfe eines Lamellenkollimators

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Abstract

In this thesis, we present substantial improvements and extensions of a previously inhouse developed multileaf collimator (MLC) tracking system. The MLC tracking system compensates for intra-fractional organ motion by adapting the aperture of a dynamic MLC in real-time to continuously monitored target motion. Our main improvements are: Firstly, the integration of clinically applicable intra-fractional motion monitoring devices based on implanted electromagnetic transponders, a novel x-ray imaging system or a combined external surrogate monitoring and x-ray imaging system. Secondly, the implementation of state-of-the-art respiratory motion forward prediction models to compensate for total system latencies of 0.5 s to 0.6 s. Thirdly, a complete redesigned of the MLC control software towards a high level of application reliability and stability as well as software maintainability and further extendability. We assess the tracking performance in various phantom experiments with sinusoidal, irregular breathing and prostate trajectories. We can reduce the remaining geometric MLC tracking uncertainties to the respiratory motion forward prediction error. Our film dosimetry evaluations demonstrate that the integrated MLC tracking system can largely eliminate the negative effects of intra-fractional organ motion on the dose distribution.

Translation of abstract (German)

In der vorliegenden Arbeit zeigen wir umfangreiche Verbesserungen und Erweiterungen eines im Hause entwickelten Lamellenkollimator (MLC) Kontrollsystems. Das MLC Kontrollsystem gleicht Organbewegungen während der Bestrahlung aus, indem es die Apertur eines dynamischen MLC in Echtzeit an kontinuierlich detektierte Organbewegungen anpasst. Unsere wichtigsten Verbesserungen sind: Erstens, die Integration klinisch anwendbarer Technologien zur Detektion von Organbewegungen basierend auf implantierten elektromagnetischen Transpondern, einem neuartigen Röntgen-Bildgebungssystem oder einer Kombination aus einem System zur Detektion von Oberflächen-Bewegungen und dem Röntgen-Bildgebungssystem. Zweitens, die Verwendung modernster Methoden zur Vorhersage von Atembewegungen um die Latenzzeiten des Systems zwischen 0.5 s und 0.6 s auszugleichen. Drittens, die komplette Neuentwicklung der MLC Kontrollsoftware mit dem Ziel einer in hohem Maße zuverlässigen und stabilen Anwendung sowie einer wartungsfreundlichen und erweiterbaren Software. Wir charakterisieren die Leistungsfähigkeit des MLC Kontrollsystems durch Phantomexperimente unter Verwendung sinusförmiger Bewegungsmuster sowie unregelmäßiger Atmungs- und Prostatabewegungsmuster. Wir können die verbleibenden geometrischen Unsicherheiten des Bewegungsausgleichs auf den Fehler der Bewegungsvorhersage reduzieren. Mittels Filmdosimetrie weisen wir nach, dass das MLC Kontrollsystem die negativen Auswirkungen von Organbewegungen auf die Dosisverteilung weitgehend eliminieren kann.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Oelfke, Prof. Dr. Uwe
Date of thesis defense: 1. February 2012
Date Deposited: 16. Feb 2012 09:52
Date: 2012
Faculties / Institutes: Service facilities > German Cancer Research Center (DKFZ)
Subjects: 530 Physics
Uncontrolled Keywords: Strahlentherapie , Organbewegungen , Lamellenkollimatorradiation therapy , organ motion , multileaf collimator
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