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Abstract

Es werden neue Methoden zur automatischen Bestimmung und Optimierung von Bestrahlungsparametern für die perkutane Strahlentherapie mit hochenergetischen Photonen entwickelt. Die Methoden basieren auf einer Bestrahlungstechnik mit intensitätsmodulierten Strahlenfeldern. Das wesentliche Problem besteht daher in der Bestimmung der Form der Modulationsprofile für die einzelnen Felder, und zwar auf der Grundlage der vorgegebenen Solldosisverteilung. Dieses Problem wird als das inverse Problem der Strahlentherapieplanung bezeichnet. Es wird gezeigt, daß es sich dabei um die gespiegelte Version des Problems der Rekonstruktion eines Bildes aus seinen Projektionen handelt, wie es z.B. bei der Computer-Tomographie (CT) auftritt.

Ausgehend von diesem Sachverhalt werden die aus der CT bekannten Methoden zur Bildrekonstruktion konsequent auf die Optimierung der Strahlentherapie übertragen. Durch entsprechende Modifikationen der Methoden werden besondere Merkmale, die für dieses neue Anwendungsgebiet charakteristisch sind, berücksichtigt. Dazu zählt insbesondere die Tatsache, daß keine negativen Strahlungsintensitäten realisiert werden können und daß man aus praktischen Gründen auf wenige Felder beschränkt ist. Es wird gezeigt, daß in den meisten Fällen sieben oder neun Strahlenfelder ausreichend sind und daß die Verwendung von mehr Feldern nicht zu klinisch signifikanten Verbesserungen führt.

Die wichtigsten Methoden der Bildrekonstruktion, nämlich die gefilterte Rückprojektion und die iterative Rekonstruktionstechnik, werden in der CT alternativ eingesetzt. In der vorliegenden Anwendung werden diese Methoden dagegen quasi "symbiotisch" verwendet. Die gefilterte Rückprojektion, die hier als gefilterte Projektion bezeichnet wird, dient dabei zur schnellen Bestimmung eines Startwertes für die Modulationsprofile. Diese Startprofile werden durch ein iteratives Verfahren, das der iterativen Rekonstruktionstechnik entspricht, weiter optimiert. Durch die Einführung von Straffunktionen ist es erstmalig möglich, medizinisch indizierte Nebenbedingungen adäquat zu berücksichtigen.

Das iterative Optimierungsverfahren basiert auf einem Algorithmus zur dreidimensionalen Dosisberechnung. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit ist daher die Entwicklung eines solchen Algorithmus für intensitätsmodulierte Strahlenfelder. Mit konventionellen Dosisberechnungsalgorithmen können Modulationen nicht angemessen berücksichtigt werden. Zur Überprüfung des neu entwickelten Verfahrens wird ein erster Vergleich der damit berechneten Dosis mit gemessenen Daten durchgeführt.

Die hier vorgestellten Methoden erlauben die direkte Bestimmung der Bestrahlungsparameter ohne das heute übliche "trial and error"-Verfahren. Darüber hinaus können Dosisverteilungen erzeugt werden, die auch mit den aufwendigsten konventionellen Bestrahlungstechniken kaum realisierbar sind. Dies sind insbesondere solche mit ausgedehnten konkaven Bereichen. Einige Beispiele dieser Art werden dargestellt.