German Title: Entwicklung und Implementierung von 3D-dosimetrischen End-to-End-Tests in der adaptiven Strahlentherapie für bewegte Tumore

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Abstract

Clinical implementation of novel advanced treatment techniques in adaptive radiation therapy requires proper workflow verification. However, this subject is not satisfactorily solved yet as current experimental validation techniques do not reflect the complexity of real patient treatments. In this thesis, several methods for patient-specific end-to-end tests were developed and applied to clinical workflows especially including treatments of moving tumors. End-to-end-tests were performed with geometrically well-defined phantoms as well as with an anthropomorphic dynamic ex-vivo porcine lung phantom in combination with a 3-dimensional (3D) polymer gel dosimeter (PGD). Different experimental settings of increasing complexity were tested in terms of (i) accuracy, (ii) feasibility of clinical workflows testing, (iii) validation of clinical concepts for motion-compensated treatments, (iv) additional integration of real-time markerless fluoroscopic imaging, and (v) validation of 4D dose calculation algorithms. Phantom irradiations were performed under static and dynamic conditions with and without beam gating. PGD evaluation revealed good tumor coverage for all treatment concepts and beam gating significantly reduced normal tissue exposure. In all cases, good agreement with the calculated dose distribution was obtained. As a conclusion, the established experimental workflow provides a versatile and valuable tool for geometrical and dosimetrical validation of advanced motion-compensated treatment techniques in adaptive radiation therapy.

Translation of abstract (German)

Die klinische Implementierung neuer Behandlungsmethoden in der adaptiven Strahlentherapie erfordern eine ordnungsgemäße Validierung der einzelnen Arbeitsschritte. Allerdings ist diese Thematik noch nicht zufriedenstellend gelöst, da die derzeitigen experimentellen Verifikations-verfahren nicht die Komplexität realer Patientenbehandlungen widerspiegeln. In dieser Arbeit wurden mehrere Methoden für patientenspezifische End-to-End-Tests entwickelt und auf klinische Workflows, insbesondere die Behandlungen von sich bewegenden Tumoren, angewendet. Die End-to-End-Tests wurden sowohl mit geometrisch gut definierten Phantomen als auch mit einem anthropomorphen dynamischen Ex-vivo-Schweinelungenphantom in Kombination mit einem dreidimensionalen (3D) Polymer-Gel-Dosimeter (PGD) durchgeführt. Unterschiedliche experimentelle Konfigurationen zunehmender Komplexität wurden hinsichtlich (i) Genauigkeit, (ii) Durchführbarkeit klinischer Arbeitsabläufe, (iii) Validierung von klinischen Konzepten für bewegungskompensierte Behandlungen, (iv) zusätzliche Integration markerloser fluoroskopischer Echtzeitbildgebung und (v) der Validierung von 4D-Dosisberechnungsalgorithmen getestet. Phantombestrahlungen wurden unter statischen und dynamischen Bedingungen mit und ohne Gating durchgeführt. Die PGD Evaluierung zeigte für alle Behandlungskonzepte eine gute Tumorabdeckung und die Normalgewebsexposition konnte durch eine Gatingbestrahlung deutlich reduziert werden. In allen Fällen wurde eine gute Übereinstimmung mit der berechneten Dosisverteilung erzielt. Es wird daher geschlussfolgert, dass der etablierte Workflow ein vielseitiges und wertvolles Werkzeug für die geometrische und dosimetrische Validierung fortschrittlicher bewegungskompensierender Behandlungstechniken in der adaptiven Strahlentherapie darstellt.