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Real-time tumor localization with electromagnetic transponders for image-guided radiotherapy applications

Rau, Andreas W.

German Title: Echtzeit-Tumorortung mittels elektromagnetischer Sonden für Anwendungen in der bildgeführten Strahlentherapie

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Abstract

The detection of intrafraction organ motion, necessary for the minimization of treatment errors, is a remaining challenge in radiotherapy. A novel technology for the dynamic monitoring of tumor motion uses tumor-implanted electromagnetic (EM) transponders. In the present thesis, concepts and strategies for the use of the EM technology in image-guided radiotherapy (IGRT) are developed. First, the compatibility of the EM technology with the radiotherapy environment is investigated experimentally. Subsequently, a technique is developed that combines EM tumor localization with the x-ray imaging options of IGRT. This technique exploits the unique advantages of EM tumor localization (non-ionizating radiation, three-dimensional target localization) and those of x-ray imaging (volumetric information about organ deformation and rotation, localization of organs at risk). The technique has been applied successfully to the elimination of motion artifacts in cone-beam computed tomography. In addition, the real-time control of a dynamic multileaf collimator based on the EM transponders could be demonstrated. Finally, the EM tumor tracking technology is introduced clinically with a study on prostate motion. The concepts developed in this thesis improve the detection of intrafraction organ motion in IGRT and thus enable the treatment of dynamic target volumes with increased accuracy.

Translation of abstract (German)

Die Detektion intrafraktioneller Organbewegung zur Vermeidung eventueller Fehlbestrahlungen ist ein ungelöstes Problem der Strahlentherapie. Ein neuartiges Konzept zur dynamischen Bewegungserfassung des Tumors verwendet in den Tumor implantierte elektromagnetische (EM) Sonden. In dieser Arbeit werden Konzepte und Strategien zur Anwendung dieser neuen Technologie in der bildgeführten Strahlentherapie (IGRT) entwickelt. Zunächst erfolgt die experimentelle Untersuchung der Kompatibilität der EM Technologie mit der strahlentherapeutischen Umgebung. Anschließend wird ein Verfahren zur Kombination der EM Tumorortung mit der Roentgenbildgebung in der IGRT entwickelt. Dieses Verfahren nutzt die spezifischen Vorteile der EM Tumorortung (nicht-ionisierende Strahlung, dreidimensionale Ortung) und die der Roentgenbildgebung (volumetrische Information über Organdeformation, -rotation, Position der Risikoorgane). Das Verfahren konnte erfolgreich zur Vermeidung von Bewegungsartefakten in Kegelstrahltomograhiebildern eingesetzt werden. Zusätzlich wird die Echtzeit-Steuerung eines dynamischen Lamellenkollimators auf der Grundlage der EM Sonden grundsätzlich realisiert. Zum Abschluss der Arbeit wird die klinische Einführung der EM Tumorortung im Rahmen einer Prostatastudie erreicht. Die entwickelten Konzepte verbessern die Detektion intrafraktioneller Organbewegung in der IGRT und ermöglichen dadurch die genauere Bestrahlung dynamischer Zielvolumina.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Oelfke, Prof. Dr. Uwe
Date of thesis defense: 22 April 2009
Date Deposited: 05 May 2009 15:40
Date: 2009
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Medizinische Physik
Uncontrolled Keywords: Strahlentherapie , OrganbewegungRadiotherapy , organ motion
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