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Development and application of a multi-modality inverse treatment planning system

Nill, Simeon

German Title: Entwicklung und Anwendung eines multimodalen inversen Bestrahlungsplanungsystems

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Abstract

The introduction of intensity-modulated radiation therapy (IMRT) opened new possibilities for the treatment planning process. Most of the existing treatment planning (TP) tools for the IMRT are focusing on the use of photons for the treatment. To achieve a very high computional speed only simplified dose calculation algorithms are used. Furthermore, approximations are made during the calculation of the fluence matrix. This thesis develops an IMRT planning tool which can be used with any available radiation modality and makes use of improved dose calculation algorithms. For the dose calculation engine a method was developed where the dose deposited in every voxel by all beams is precalculated and for later use stored in a dose matrix. This enables the use of advanced dose calculation algorithms and the simultaneous optimization of different radiation modalities. The new TP system was applied to clinical patient data for proton and photon IMRT plans. For the delivery of the proton IMRT plans two promising delivery techniques, 'distal edge tracking' (DET) and the 3D technique, were compared with each other. By using the DET technique dose distributions as good as for the 3D technique were achieved but the optimization time and the expected delivery time are reduced by a factor 10. In addition, no significant differences in the effect of organ motion and particle range uncertainties are observed for either technique.

Translation of abstract (English)

Mit der Einführung der intensitätsmodulierten Strahlentherapie (IMRT) eröffnen sich neue Möglichkeiten in der Bestrahlungsplanung. Die meisten bisher existierenden Bestrahlungsplanungsysteme (BP) für die IMRT sind konzeptionell ausschließlich für Photonen entwickelt worden. Dabei wurde der Schwerpunkt vor allem auf die Optimierung der Rechengeschwindigkeit gelegt, was zum Einsatz vereinfachter Dosisberechnungsmodelle und Näherungen in der Berechnung der Fluenzmatrizen führte. Das Ziel dieser Arbeit ist es daher, ein IMRT Bestrahlungsplanungsystem für den Einsatz beliebiger Strahlenarten mit verbesserten Dosisberechnungsalgorithmen zu entwickeln. Für das Dosisberechnungsmodul wird ein Verfahren entwickelt, bei dem der Dosisbeitrag in einem Voxel für jeden beliebigen Strahl vorausberechnet und in einer Matrix abgespeichert wird. Dadurch wird der Einsatz verbesserter Dosisberechnungsalgorithmen sowie die gleichzeitige Optimierung verschiedener Strahlenarten ermöglicht. Das neue BP wurde angewendet auf klinische Patientendaten zur Berechnung von Protonen- und Photonen-IMRT Plänen. Bei der Bestrahlung mit Protonen wurden zwei neuartige Techniken zur Spotpositionierung, die 3D Technik sowie das 'distal edge tracking' (DET) miteinander verglichen. Dabei ergibt sich, dass die mit Hilfe der DET Technik erzielten Dosisverteilungen denen der 3D Technik entsprechen, aber um einen Faktor 10 schneller zu optimieren und voraussichtlich zu applizieren sind. Desweiteren wurde kein signifikanter Unterschied bei der Berücksichtigung von Organbewegungen und Reichweitenunsicherheiten zwischen den beiden Techniken festgestellt.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Bortfeld, Prof. Dr. Thomas
Date of thesis defense: 31. October 2001
Date Deposited: 07. Nov 2001 00:00
Date: 2001
Faculties / Institutes: Service facilities > German Cancer Research Center (DKFZ)
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Medizinische Physik
Uncontrolled Keywords: Bestrahlungsplanung , IMRT , Photonen , ProtonenTreatment planning , IMRT , Photons , Protons
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