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Physical and Clinical Potential of offline PET/CT Imaging after Proton Radiotherapy

Knopf, Antje-Christin

German Title: Physikalisches und klinisches Potential von zeitversetzten PET/CT-Messungennach Strahlentherapiebehandlungen mit Protonen

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Abstract

Bei der Behandlung von Krebserkrankungen mit Protonenstrahlen können empindliche Gewebestrukturen direkt hinter dem Zielvolumen durch den schnellen Dosisabfall am Ende der Reichweite von Protonen vor Strahlung geschützt werden. Dieser ernorme Vorteil von Protonen wird jedoch nicht immer voll genutzt, da die Behandlungsplanung und -durchführung oft schwer einschätzbare Unsicherheiten beinhaltet. Die erfolgversprechendste In-Vivo-Methode zur nicht invasiven Kontrolle von Protonenstrahlbehandlungen ist die Positron Emissions Tomographie (PET). Positronenemitter, wie zum Beispiel 11C und 15O, werden bei nuklearen Reaktionen entlang des Strahlengangs produziert und können als räumliche Indikatoren für die deponierte Dosis genutzt werden. So lassen sich PET/CT-Messungen als Qualität sichernde Maßnahme zur Überprüfung der tatsächlich verabreichte Dosis und zur Quantifizierung von Unsicherheiten nutzen. In dieser Arbeit werden die physikalischen und klinischen Möglichkeiten von zeitversetzten PET/CT-Messungen zur Behandlungskontrolle untersucht. In einer Phantom-Studie wird die physikalische Reproduzierbarkeit, die Konsistenz und die Sensivität der Methode erkundet. In einer Patienten-Studie wird ihre klinische Leistungsfähigkeit qualitativ und quantitativ betrachtet. Dafür werden Daten von 23 Patienten (9 Patientendatensätze wurden vor, 14 im Rhamen dieser Arbeit gesammelt) mit vielfältigen Tumorerkrankungen unterschiedlicher Art und Lokalitätern analysiert. Es werden Patientenuntergruppen bestimmt, die aus der Anwendung der Methode am meisten profitieren. Darüber hinaus werden technische und methodische Verbesserungen untersucht, die eine breitere Anwendbarkeit von PET/CT-Messungen zur Behandlungskontrolle bei der Strahlentherapie mit Protonen ermöglichen.

Translation of abstract (English)

The rapid fall-off of dose at the end of range of proton beams has the potential of sparing critical structures just distal to the target volume. This tremendous advantage of protons is, however, not always used to its full extent, because treatment planning and delivery in proton radiotherapy often implies unpredictable uncertainties. The most promising method for an in vivo and noninvasive monitoring of proton radiotherapy is positron emission tomography (PET). Positron emitters such as 11C and 15O are produced via nuclear interactions along the proton beam path, and can be imaged as a spatial marker of dose deposition. This way PET/CT imaging can be employed as a quality ssurance tool, to verify the actually delivered dose, and to quantify uncertainties. In this thesis we investigate the physical and clinical potential of offline PET/CT imaging for proton treatment verification. In a phantom study we determine the physical reproducibility, consistency, and sensitivity of the approach. The presented patient study qualitatively and quantitatively evaluates its clinical performance. Data of 23 patients (9 patient data sets were acquired before, 14 within the framework of this work) with various tumor sites are analyzed. The influence of different challenging factors is studied with respect to different tumor locations. This way patient subgroups that benefit most from the approach are determined. Furthermore, possible technological and methodological improvements to allow for a wider applicability of PET/CT treatment verification are identified.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Oelfke, Prof. Dr. Uwe
Date of thesis defense: 22 April 2009
Date Deposited: 05 May 2009 15:51
Date: 2009
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Physics
Subjects: 530 Physics
Uncontrolled Keywords: radiotherapy , protons , range , pet
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