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Evaluation of Radiobiological Effects in Intensity Modulated Proton Therapy : New Strategies for Inverse Treatment Planning

Wilkens, Jan Jakob

German Title: Untersuchung strahlenbiologischer Effekte in der intensitätsmodulierten Protonentherapie : neue Strategien für die inverse Bestrahlungsplanung

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Abstract

Currently, treatment planning for intensity modulated proton therapy (IMPT) usually disregards variations of the relative biological effectiveness (RBE). To investigate the potential clinical relevance of a variable RBE for beam scanning techniques, new strategies for the evaluation of radiobiological effects and for the incorporation of the RBE into the inverse planning process are presented. These strategies are based on a fast algorithm for three-dimensional calculations of the dose averaged linear energy transfer (LET) as a measure of the local radiation quality, and on a simple phenomenological approach for the RBE as a function of dose, LET and tissue type. It was found that the biological effect depended strongly on the type of scanning technique used, mainly due to differences in the LET distributions. New objective functions that account for LET and RBE were integrated into an inverse planning software, which now allows simultaneous multi-field optimization of the biological effect in a reasonable time. With these methods, unfavourable RBE effects can be identified and compensated for by direct optimization of the product of RBE and dose, which is demonstrated for several clinical examples. The proposed strategies are therefore valuable tools to evaluate and improve the quality of treatment plans in IMPT.

Translation of abstract (German)

Zur Zeit werden Variationen der relativen biologischen Wirksamkeit (RBW) in der Bestrahlungsplanung der intensitätsmodulierten Protonentherapie (IMPT) meist vernachlässigt. Um mögliche klinische Auswirkungen einer variablen RBW für gescannte Protonenstrahlen zu untersuchen, werden neue Strategien zur Beurteilung dieser strahlenbiologischen Effekte und zur Integration der RBW in die inverse Bestrahlungsplanung vorgestellt. Sie basieren auf einem schnellen Algorithmus zur dreidimensionalen Berechnung des dosis-gemittelten linearen Energietransfers (LET) als einem Maß der lokalen Strahlenqualität und auf einem einfachen phänomenologischen Ansatz für die RBW als Funktion der Dosis, des LET und des Gewebetyps. Es zeigte sich, dass der biologische Effekt aufgrund unterschiedlicher LET-Verteilungen stark von der jeweils verwendeten Scanning-Technik abhing. Neue Zielfunktionen zur Berücksichtigung von LET und RBW wurden in ein inverses Bestrahlungsplanungsprogramm integriert, welches nun eine gleichzeitige Vielfelder-Optimierung des biologischen Effekts in einer akzeptablen Zeit erlaubt. An mehreren klinischen Beispielen wird demonstriert, wie mit diesen Methoden nachteilige RBW-Effekte erkannt und durch die direkte Optimierung des Produkts von RBW und Dosis kompensiert werden können. Die vorgeschlagenen Strategien sind somit eine wertvolle Hilfe, um die Qualität von IMPT-Bestrahlungsplänen zu beurteilen und zu verbessern.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Oelfke, Dr. PD Uwe
Date of thesis defense: 26 May 2004
Date Deposited: 04 Jun 2004 08:22
Date: 2004
Faculties / Institutes: Service facilities > German Cancer Research Center (DKFZ)
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Protonentherapie, Strahlentherapie, Optimierung
Uncontrolled Keywords: relative biologische Wirksamkeit , linearer Energietransfer , inverse Bestrahlungsplanungrelative biological effectiveness , linear energy transfer , proton therapy , optimization , inverse planning
Additional Information: Parts of this work are published in "Medical Physics" (vol 30, pp 806-815, copyright 2003 American Association of Physicists in Medicine), "Zeitschrift f. Medizinische Physik" (vol 14, pp 41-46, 2004) and "Physics in Medicine and Biology" (vol 49, in press, copyright 2004 IOP Publishing Ltd.)
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