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Development and Evaluation of Advanced Dose Calculations for Modern Radiation Therapy Techniques

Scholz, Christian Johannes

German Title: Entwickung und Bewertung komplexer Dosisalgorithmen zur Anwendung in der modernen Strahlentherapie

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Abstract

In modern radiotherapy, complex treatments are applied even inside inhomogeneous media like the lung or the head&neck region, where commonly used pencil beam algorithms often fail to predict precisely the physical radiation dose distribution. Thus the clinical outcome of the treatment can not be properly evaluated by physicians. By using more sophisticated dose calculations based on superposition or Monte Carlo techniques this problem would be reduced or would actually disappear, since they exactly account for intricate tissue inhomogeneities. However, up to now the enhanced calculation times have deferred their use in clinical daily routine planning at most therapy centers. In the presented work algorithms based on both superposition and Monte Carlo methods were implemented which precisely predict the dose even inside inhomogeneous tissues within acceptable calculation times. After thorough acceptance tests both algorithms were integrated into the clinical environment at the DKFZ both for the optimization of complex treatments applying fluence patterns with modulated intensities as well as for the calculation of their dose distributions. Their outcome in particular for inhomogeneous clinical lung and head&neck cases was evaluated through a study, which is also presented.

Translation of abstract (German)

In der modernen Strahlentherapie werden häufig in inhomogenen Regionen wie zum Beispiel in der Lunge oder im Kopf-Hals-Bereich komplexe Bestrahlungen appliziert. Leider könnnen in der Regel gewöhnliche Dosisberechnungsalgorithmen wie die Pencil Beam Methode die physikalische Strahlendosis hier nur ungenau berechnen, wodurch der klinische Erfolg der Therapie von den Ärzten fehlinterpretiert werden könnte. Durch die Verwendung von differenzierteren Methoden wie zum Beispiel Superposition oder Monte Carlo könnte dieses Problem reduziert werden oder sogar völlig verschwinden, da hier auch Inhomogenitäten mit komplizerten Formen genau berücksichtigt werden. Leider wurde bisher in den meisten Strahlentherapiezentren deren Einführung im klinischen Alltag durch den hohen Rechenaufwand verhindert. In der vorliegenden Arbeit wurden Algorithmen basierend auf beiden Dosisberechnungsmethoden entwickelt, um die Dosisverteilung in akzeptabler Rechenzeit auch in inhomogenen Regionen des menschlichen Körpers genau vorhersagen zu können. Nach gründlichen Abnahmetests wurden beide Algorithmen im klinischen Umfeld am DKFZ integriert, um sowohl Optimierungen komplexer Bestrahlungen mit intensitätsmodulierten Strahlenfeldern als auch deren Dosisberechnung durchzuführen. Ihr Einfluss, insbesondere auf inhomogene klinische Lungen- und Kopf-Hals-Fälle, wurde anhand einer Studie bestimmt. Deren Ergebnis ist ebenfalls Teil der vorliegenden Arbeit.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Oelfke, Prof. Dr. Uwe
Date of thesis defense: 10 November 2004
Date Deposited: 19 Nov 2004 13:10
Date: 2004
Faculties / Institutes: Service facilities > German Cancer Research Center (DKFZ)
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Strahlendosis, Monte Carlo, Strahlentherapie
Uncontrolled Keywords: Superposition , Pencil Beam , IMRT , 3DCRT , Dosisberechnungdose calculation , optimization , IMRT , 3DCRT , superposition , pencil beam
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