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Microbeam Radiation Therapy – physical and biological aspects of a new cancer therapy and development of a treatment planning system

Bartzsch, Stefan

German Title: Mikrostrahltherapie – Studien zu physikalischen und biologischen Aspekten einer neuen Krebstherapie und Entwicklung eines Therapieplanungssystems

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Abstract

Die Mikrostrahltherapie (MRT) ist ein neuer Ansatz in der Krebstherapie. Hoch brillante Synchrotronstrahlung wird zu parallelen, wenige Mikrometer breiten, ebenen Strahlenbündeln kollimiert und mit hohen Dosisraten auf das Tumorgewebe gerichtet. Dabei sind die applizierten Peakdosen wesentlich höher als in der konventionellen Strahlentherapie. Die Niedrigdosisbereiche zwischen den Strahlen bleiben jedoch unterhalb der gewohnten Gewebetoleranz. Die bisherige Forschung hat gezeigt, dass derartige Strahlgeometrien das gesunde Gewebe schonen, während Tumore erfolgreich zurückgedrängt werden. In der vorliegenden Arbeit werden physikalische und biologische Aspekte der Therapie untersucht. Es wird ein Therapieplanungssystem für die ersten klinischen Behandlungen an der Europäischen Synchrotronstrahlenquelle in Grenoble (Frankreich) entwickelt und ein Dosimetrieverfahren auf der Basis radiochromer Filme erarbeitet, um geplante Dosen im Mikrometerbereich experimentell zu validieren. Schließlich werden Experimente auf zellulärer Ebene durchgeführt, um physikalisch geplante Dosen und biologische Schäden zu korrelieren. Die Unterschiede zwischen Monte-Carlo-Dosis und Messung sind geringer als 10% im Niedrigund 5% im Peakdosisbereich. Alternativ entwickelte schnellere Dosisberechnungsverfahren weichen von den rechenintensiven Monte-Carlo-Simulationen um weniger als 15% ab und bestimmen die Dosis innerhalb weniger Minuten. In den zellbiologischen Experimenten zeigt sich, dass interzelluläre Signale maßgeblich über das Zellüberleben an Strahlengrenzen entscheiden. Diese Beobachtung ist nicht nur für MRT sondern auch für die konventionelle Strahlentherapie von Bedeutung.

Translation of abstract (English)

Microbeam Radiation Therapy (MRT) is a novel treatment strategy against cancer. Highly brilliant synchrotron radiation is collimated to parallel, a few micrometre wide, planar beams and used to irradiate malignant tissues with high doses. The applied peak doses are considerably higher than in conventional radiotherapy, but valley doses between the beams remain underneath the established tissue tolerance. Previous research has shown that these beam geometries spare normal tissue, while being effective in tumour ablation. In this work physical and biological aspects of the therapy were investigated. A therapy planning system was developed for the first clinical treatments at the European Synchrotron Radiation Facility in Grenoble (France) and a dosimetry method based on radiochromic films was created to validate planned doses with measurements on a micrometre scale. Finally, experiments were carried out on a cellular level in order to correlate the physically planned doses with the biological damage caused in the tissue. The differences between Monte Carlo dose and dosimetry are less than 10% in the valley and 5% in the peak regions. Developed alternative faster dose calculation methods deviate from the computational intensive MC simulations by less than 15% and are able to determine the dose within a few minutes. The experiments in cell biology revealed an significant influence of intercellular signalling on the survival of cells close to radiation boundaries. These observations may not only be important for MRT but also for conventional radiotherapy.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Oelfke, Prof. Dr. Uwe
Date of thesis defense: 5 November 2014
Date Deposited: 11 Dec 2014 08:14
Date: 2014
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Physics
Subjects: 530 Physics
600 Technology (Applied sciences)
Controlled Keywords: medizinphysik, strahlentherapie, krebstherapie
Uncontrolled Keywords: Mikrostrahltherapie, Synchrotronstrahlung, Radiobiologie
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