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Adaptation of High-Precision Radiotherapy to Moving Target Volumes in Real-Time Using Dynamic Multileaf Collimators

Tacke, Martin

German Title: Adaption präziser Strahlentherapie für bewegte Zielvolumina in Echtzeit mit Hilfe von dynamischen Multileaf Kollimatoren

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Abstract

High quality dose distributions achievable with advanced radiation therapy techniques such as IMRT require a precise and accurate delivery of modulated fluence patterns to the target volume. Intrafractional target motion, however, considerably deteriorates the geometric accuracy of the delivery process. Therefore, a dynamic control system was developed which enabled the real-time adaptation of the dose delivery for moving target volumes. For this purpose, algorithms were developed which calculated an optimized multileaf collimator (MLC) aperture compensating for target motion and deformation. In addition, it is possible to completely spare adjacent organs-at-risk. Delay times of the MLC control system are accounted for by a linear prediction filter. Furthermore, different field definition modes were designed and included. The algorithms were used to develop a dynamic target tracking control system for the Siemens 160 MLC. To assess the quality of the tracking technique, experiments were performed with different phantoms. The experiments proved that 2-dimensional target motion can be compensated for with the new control system. The congruence within 2 % / 2 mm with a static reference delivery was increased from 18.75 % to 76.79 % for an IMRT dose distribution. For the delivery of a complete treatment fraction to a lung phantom, similar improvements were observed. However, the system's latency times reduced the accuracy depending on the specific target motion. It was demonstrated that the developed tracking concepts algorithms and the new control system can effectively compensate for target motion in real-time and therefore significantly increase the accuracy of the treatment delivery.

Translation of abstract (German)

Moderne Techniken der Strahlenonkologie, wie zum Beispiel IMRT, basieren auf der präzisen und akkuraten Bestrahlung des Tumors mit komplexen Fluenzmatrizen. Dies kann oftmals aufgrund von Bewegungen des Zielvolumens während der Bestrahlung nicht erfolgen. Aus diesem Grunde wurde ein dynamisch-adaptives Bestrahlungskonzept auf Basis eines dynamischen MLCs entwickelt. Dieses ermöglicht schon während der Bestrahlung neue Feldformen zu berechnen und direkt am MLC des Linearbeschleunigers einzustellen, um Dosisfehler aufgrund von Organbewegungen zu kompensieren. Zur Bestimmung der optimalen Lamellenpositionen wurden verschiedene Algorithmen entwickelt und in ein eigenständiges Kontrollsystem implementiert. Dabei ist es notwendig, die Latenzzeit der MLC-Steuerung durch eine Vorhersage für die Bewegung des Zielvolumens auszugleichen. Zur Realisierung der adaptiven Therapie und zur Evaluation der Bestrahlungskonzepte wurde mit dem neuentwickelten Kontrollsystem ein Siemens 160 MLC kontinuierlich gesteuert. Messungen mit verschiedenen Phantomen zeigten, dass 2-dimensionale Bewegungen mit dem Steuerungssystem in Echtzeit ausgeglichen werden konnten. Für eine IMRT-Fluenzverteilung wurde durch die neuentwickelte Technik eine Übereinstimmung innerhalb eines 2 % / 2 mm-Intervalls von 76.79 % mit dem statischen Referenzfeld erreicht, im Vergleich zu 18.75 % ohne die kontinuierliche Adaption des Strahlenfeldes. Experimente mit einem speziellen, beweglichen Lungenphantom erzielten ähnliche Resultate. Die Latenzzeit des MLC-Kontrollsystems beeinträchtigte jedoch teilweise die Genauigkeit. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass das Steuerungskonzept, welches im Rahmen dieser Arbeit entworfen und entwickelt wurde, sowie die darin enthaltenen neuen Algorithmen es ermöglichen, die Bewegungen des Zielvolumens in Echtzeit auszugleichen. Dadurch kann eine signifikante Verbesserung der Genauigkeit der Bestrahlung erreicht werden.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Oelfke, Prof. Dr. Uwe
Date of thesis defense: 28. January 2009
Date Deposited: 17. Feb 2009 13:09
Date: 2009
Faculties / Institutes: Service facilities > German Cancer Research Center (DKFZ)
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Strahlentherapie, Echtzeitverarbeitung, Lamellenkollimator, Onkologie, Medizinische Physik
Uncontrolled Keywords: adaptive Strahlentherapie , Tumor Trackingadaptive radiotherapy , tumor tracking
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