German Title: Neue Methoden zur Lösung des inversen Problems der Strahlentherapieplanung

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Abstract

New methods for the automatic determination and optimization of irradiation parameters for percutaneous radiotherapy with high energy photons are developed. The methods are based on an irradiation technique with intensity-modulated radiation fields. The essential problem is therefore to determine the shape of the modulation profiles for the individual fields, based on the specified target dose distribution. This problem is called the inverse problem of radiotherapy planning. It is shown that this is the mirrored version of the problem of reconstructing an image from its projections, such as occurs in computed tomography (CT).

Based on this fact, the methods for image reconstruction known from CT are consistently transferred to the optimization of radiotherapy. By appropriate modifications of the methods, special features characteristic for this new field of application are taken into account. This includes in particular the fact that no negative radiation intensities can be realized and that one is limited to a few fields for practical reasons. It is shown that in most cases seven or nine radiation fields are sufficient and that the use of more fields does not lead to clinically significant improvements.

The main methods of image reconstruction, namely filtered back projection and iterative reconstruction technique, are used alternatively in CT. In the present application, on the other hand, these methods are used quasi “symbiotically”. The filtered back projection, referred to here as filtered projection is used to quickly determine a starting value for the modulation profiles. These initial profiles are further optimized by an iterative procedure corresponding to the iterative reconstruction technique. The introduction of penalty functions makes it possible for the first time to adequately consider medically indicated constraints.

The iterative optimization procedure is based on an algorithm for three-dimensional dose calculation. Therefore, another focus of this work is the development of such an algorithm for intensity modulated radiation fields. Conventional dose calculation algorithms cannot adequately account for modulations. To verify the newly developed method, a first comparison of the dose calculated with it with measured data is carried out.

The methods presented here allow the direct determination of the irradiation parameters without the trial and error procedure that is common today. In addition, dose distributions can be generated that are hardly feasible even with the most complex conventional irradiation techniques. These are especially those with extended concave areas. Some examples of this type are presented.

Translation of abstract (German)

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.