German Title: Nicht-invasive Lungentumorbewegungsabschätzung und -kompensation in Echtzeit während der Applikation von Strahlentherapie

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Abstract

Die interfraktionelle Bewegung von Lungentumoren während der Applikation von externer Strahlentherapie kann ein limitierender Faktor für den ehandlungserfolg sein. Tumorbewegung kann sowohl eine Unterdosierung des Zielvolumens als auch eine schwerwiegende Überdosierung des umliegenden gesunden Gewebes zur Folge haben. Die vorliegende Arbeit besteht aus drei Teilen. Im ersten Teil wird eine Methode zur bildgestützten Bewegungsabschätzung von Lungentumoren in Echtzeit vorgestellt. Vorteile des Verfahrens sind die Unabhängigkeit von implantierten Markern (Pneumothorax Risiko) und die Vermeidung von zusätzlicher Bildgebungsstahlendosis, da das Verfahren mit dem Therapiestrahl akquirierte fluoroskopische Bildsequenzen nutzt. Die Validierung erfolgte sowohl anhand von Bildern, die mit einem beweglichen Thoraxphantom aufgenommen wurden, als auch anhand von Bildern, die während einer Reihe von Lungenstereotaxiebehandlungen aufgenommen wurden. Der Fehler (rmse) wurde für den Phantomdatensatz zu < 1mm und für den klinischen Datensatz zu (2.1 ± 1.7)mm bestimmt. Der zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Implementierung und Charakterisierung eines dynamischen, adaptiven Bestralungsystems, das durch das Nachführen des Therapiestrahls in Echtzeit Bewegungen des Zielvolumens kompensieren kann. Das System nutzt eine computergestützte, dynamisch ansteuerbare Strahlungsapertur (MLC), welche mit der Position des Zielvolumens aus dem ersten Teil in Echtzeit angesteuert wird. Die Latenzzeit wurde gemessen ( 250 ms) und durch einen linearen Vorhersagealgorithmus kompensiert. Das System wurde mit einem mit Lungentumortrajektorien programmierten dynamischen Thoraxphantom getestet. Der Fehler konnte von 2.4mm bis 3.5mm auf unter 1mm reduziert werden. Im dritten Teil dieser Arbeit wird der Algorithmus vom ersten Teil eingesetzt, um nach jeder Fraktion einer Lungenstereotaxiebehandlung die applizierte Dosis zu berechnen. Das Konzept wurde mit einem dynamischen Thoraxphantom validiert. Mit der retrospektiven Bildanalyse einer Lungenstereotaxiebehandlung konnte gezeigt werden, daß sich fraktionelle Unterdosierungen des Zielvolumens, etwa durch nicht optimale Patientenpositionierung, mit dieser Methode in Form eines Dosis-Volumen Histogramms (DVH) quantifizieren lassen.

Translation of abstract (English)

Intrafractional lung tumor motion during the application of external beam radiation therapy can be a limiting factor for the treatment outcome. Tumor motion can cause marginal underdosage of the target volume as well as severe radiation toxicity in the surrounding healthy tissue. This thesis consists of three parts: The first part presents a novel method for real-time lung tumor motion estimation that does not require the surgical implantation of fiducial markers. The method utilizes fluoroscopic megavoltage x-ray images acquired with the therapy beam throughout the treatment delivery and does therefore not require to expose the patients to additional imaging dose. The algorithm is validated by retrospective analysis of images acquired during irradiation of a dynamic chest phantom as well as images acquired during lung SBRT treatment deliveries to patients. The root mean square geometric error was found to be <1mm for phantom data and (2.1±1.7)mm for patient data, respectively. The second part of this thesis describes an integrated system capable of moving the treatment aperture in synchrony with a moving treatment target to mitigate tumor motion during radiotherapy. The system utilizes a dynamic multi-leaf collimator tracking system to drive the treatment aperture in real-time and a special frame grabber to allow for fast image acquisition. A linear prediction algorithm was implemented to overcome the system latency ( 250 ms). The measured root mean square geometric error was reduced from 2.4 - 3.5mm to < 1 mm. In the third part of this thesis, a concept utilizing the tumor motion estimation algorithm to calculate delivered dose is presented. The concept is validated with a dynamic chest phantom and applied in retrospect to imagery acquired during a lung SBRT treatment. It is shown that marginal underdosage can be quantified with a dose volume histogram (DVH) calculated from the analyzed data.