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Abstract

In 2011, stereotactic body radiotherapy was introduced for the treatment of hepatocellular carcinoma at the Heidelberg Ion-Beam Therapy Center (HIT). Initially, thirteen patients were treated, including the first patient treated using respiratory beam gating. This thesis presents the work flow and data acquisition for the treatment of moving organs. Based on the acquired patient data, simulated and reconstructed 4D dose distributions are now available.

Simulations of 4D dose distributions require precise knowledge of the organ motion and accelerator timing. To improve the prediction, the properties of the HIT synchrotron cycle were investigated, revealing energy-dependent and stochastic aspects and day-to-day beam intensity fluctuations. A simulation was implemented based on a realistic model of the accelerator. The accuracy of calculated irradiation sequences was verified using treatment records. Experimental verification using a patient treatment plan was performed in a moving water phantom, where a total dose deviation of (1.0±7.3)% was determined.

Since 2012, the HIT heavy-ion gantry offers new treatment options. In a treatment planning study, optimal plan geometries for the treatment of esophageal carcinoma were determined. Effects of intrafractional organ motion were accounted for in a quasi-static dose calculation. Results can potentially be used for margin and gating window definition.

Übersetzung des Abstracts (Deutsch)

Anfang 2011 wurde am Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum HIT die extrakranielle Stereotaxie zur Behandlung des Hepatozellulären Karzinoms eingeführt. Zunächst wurden dreizehn Patienten behandelt, einschließlich des ersten Patienten mit atemgesteuerter Bestrahlung (Gating). In dieser Arbeit werden der neu eingeführte Behandlungsablauf und die Datenerfassung für die Behandlung bewegter Organe vorgestellt. Aufgrund der Patientendatensätze sind simulierte und rekonstruierte zeitabhängige 4D-Dosisverteilungen der Bestrahlungen verfügbar.

Simulationen von 4D-Dosisverteilungen erfordern genaue Kenntnis der Organbewegung und korrekte Vorhersagen des Zeitverhaltens des Beschleunigers. Um die Vorhersage zu verbessern, wurden die Eigenschaften des HIT-Synchrotron-Zyklus untersucht; bei dieser Untersuchung wurden energieabhängige und stochastische Aspekte sowie tägliche Schwankungen der Strahlintensität festgestellt. Eine Simulation-Software wurde implementiert, die auf einem realistischen Modell des Beschleunigers beruht. Die Genauigkeit der errechneten Bestrahlungsabläufe wurde mit Bestrahlungsaufzeichnungen überprüft. Eine experimentelle Überprüfung des Algorithmus wurde anhand eines Patienten-Behandlungsplans in einem bewegten Wasserphantom durchgeführt. Hierbei wurde eine Dosisabweichung von (1.0±7.3)% ermittelt.

Seit Ende 2012 eröffnet die HIT-Schwerionen-Gantry neue Bestrahlungsmöglichkeiten. In einer Planungsstudie wurden die optimalen Plangeometrien für die Behandlung von Ösophagus-Karzinomen ermittelt. Grundlage der Studie waren vier Patientendatensätze und dreizehn vorgeschlagene Plangeometrien. Über eine quasi-statische Dosisberechnung wurden die Effekte von intrafraktioneller Organbewegung berücksichtigt. Die berechneten Dosisverteilungen können als Grundlage für die Definition von Sicherheitssäumen und Gatingfenstergrößen dienen.