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A Novel Collimator Concept for Fast Rotational IMRT

Altenstein, Georg

German Title: Ein neues Kollimatorkonzept für schnelle Rotationstherapie

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Abstract

The 2D binary multileaf collimator (2D-bMLC) is a novel collimator concept specially dedicated to fast rotational radiotherapy treatments. The 2D-bMLC consists of individually controlled absorber channels arranged side by side to form a 2D aperture. The design, which leads to radiation fields characterized by a striped pattern, aims at very quick aperture modulations. Using a Monte Carlo (MC) method we established the dosimetric model of a theoretical flattening filter free medical linac equipped with a 2D-bMLC. We further developed a treatment planning system for rotational 2D-bMLC treatments with a new optimization method and a MC framework for exact calculation of the dose. In plan comparison studies, 2D-bMLC plans were calculated for various clinical indications and compared to clinically accepted IMRT and Helical Tomotherapy plans. The design of the 2D-bMLC might be especially sensitive to geometrical misalignments of the collimator on the one hand, and to intrafraction motion on the other hand. Both aspects have been investigated in additional MC studies. The results of the planning studies showed that the 2D-bMLC concept is in principal adequate for rotational radiotherapy treatments with potential delivery times considerably below those of IMRT techniques applied in the clinics today. Clinically acceptable 2D-bMLC plans with delivery times below 30 seconds were calculated for all investigated tumour sites. Dosimetric parameters were comparable to those of the reference plans. Already very small geometrical misalignment of the 2D-bMLC can cause severe under-dosage, and especially high demands on manufacture tolerances as well as on quality assurance will be necessary, if a 2D-bMLC should be produced for clinical use. Consideration of intrafraction motion, however, did not lead to significant changes in the accumulated doses calculated for prostate plans with standard fractionation.

Translation of abstract (German)

Ein neuartiges Kollimatorkonzept für die Strahlentherapie mit hochenergetischen Photonen wurde im Rahmen dieser Arbeit ausgearbeitet. Das Konzept des 2D binary multileaf collimator (2D-bMLC) soll 2-dimensionale Anpassungen des Bestrahlungsfeldes in sehr kurzer Zeit erlauben und wurde speziell für schnelle intensitätsmodulierte Rotationstherapie entworfen. Der 2D-bMLC besteht aus Absorberkanälen, die nebeneinander in einer 2D-Matrix angeordnet sind. Jeder Kanal wird einzeln angesteuert, um geöffnet oder geschlossen zu werden. Mit der Monte-Carlo-Methode (MC) wurde erfolgreich das dosimetrische Modell eines theoretischen Bestrahlungsgerätes etabliert. Zudem wurde ein Bestrahlungsplanungssystem entwickelt, das sich aus einem Tool für die inverse Optimierung von Behandlungsplänen und einem MC-Tool für exakte zeitaufgelöste Dosisberechnung zusammensetzt. In Planungsstudien wurden 2D-bMLC-Pläne für verschiedene klinische Indikationen berechnet und mit klinisch akzeptierten IMRT- und Tomotherapy-Plänen verglichen. Zusätzliche MC-Studien wurden durchgeführt, um den Einfluss von geometrischen Toleranzen bei Herstellung und Installation des Kollimators und von Bewegungen des Patienten während der Bestrahlung (intrafraktionellen Bewegungen) abzuschätzen. In den Planungsstudien konnten für alle behandelten Fälle klinisch akzeptable 2D-bMLC-Pläne mit Behandlungszeiten unter 30 Sekunden berechnet werden. Im visuellen Vergleich und in Bezug auf die ausgewerteten dosimetrischen Parameter waren die Dosisverteilungen vergleichbar mit denen der Referenzpläne. Bereits relativ kleine geometrische Ungenauigkeiten bei der Aufhängung des Kollimators können schwerwiegende Unterdosierungen verursachen. Bei einer technischen Realisierung des Konzeptes müssten deshalb besonders hohe Anforderungen an Herstellung, Installation und Qualitätssicherung des Bestrahlungsgerätes gestellt werden. Berücksichtigung von intrafraktionellen Bewegungen bei Prostatabestrahlungen führte hingegen bei konventioneller Fraktionierung nicht zu signifikanten Veränderungen der geplanten Dosisverteilungen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Oelfke, Prof. Dr. Uwe
Date of thesis defense: 29 October 2014
Date Deposited: 11 Dec 2014 08:09
Date: 2014
Faculties / Institutes: Service facilities > German Cancer Research Center (DKFZ)
Subjects: 530 Physics
600 Technology (Applied sciences)
Controlled Keywords: Medizinische Physik, Strahlentherapie
Uncontrolled Keywords: Rotationstherapie, Dosisberechnung, Bestrahlungsplanung, zeitabhängige Monte-Carlo-Dosisberechnung
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