German Title: Zur klinischen Anwendung von Heliumionen am Heidelberger Ionenstrahl Therapiezentrum

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Abstract

Long before the invention of current standard modalities such as intensity-modulated radiotherapy, helium ions were already incorporated clinically in the 1980s at the Lawrence Berkeley National Lab. At the onset of this research, although helium ion beams are available for pre-clinical experiments at the Heidelberg Ion-Beam Therapy Center (HIT), a clinically validated Treatment Planning System (TPS) with a refined dose calculation model was still warranted for a safe clinical application. This doctoral thesis reports and outlines a comprehensive database of beam properties created to this end. This database includes the geometric dose distribution for each of the available 255 initial beam energies at HIT, as well as measurements of depth and lateral dose profiles measured and recreations thereof via a Monte Carlo beam model. Moreover, the thereby prepared beam model allowed for the investigation on the influence of the dose received by a patient in the presence of any variations. These efforts significantly contributed to the successful commissioning of the first commercial TPS for helium ion beams, enabling the first patient treatment. Finally, to correctly assess the biological damage induced by this new radiation modality, a retrospective analysis of a past clinical trial was carried out, evaluating models of relative biological effectiveness for protons and carbon ions regarding their predictive capability for the tumor control of prostate cancer.

Translation of abstract (German)

Lange vor Erfindung heutiger Standardmodalitäten wie der intensitätsmodulierten Strahlentherapie wurden Heliumionen bereits in den 1980er Jahren am Lawrence Berkeley National Lab klinisch eingesetzt. Zu Beginn dieser Forschungsarbeit standen Helium-Ionenstrahlen zwar für präklinische Experimente am Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum (HIT) zur Verfügung, doch war eine sichere klinische Anwendung noch nicht gewährleistet, da kein klinisch validiertes Behandlungsplanungssystem (TPS) mit einem detaillierten Dosisberechnungsmodell vorhanden war. In dieser Dissertation wird eine umfassende Datenbank mit Strahleigenschaften vorgestellt, welche zu diesem Zweck erstellt wurde. Sie enthält die geometrische Dosisverteilung für jede der 255 am HIT verfügbaren Strahlenergien, sowie Messungen von Tiefendosiskurven und lateralen Dosisprofilen, welche mit Hilfe eines Monte-Carlo-Strahlmodells rekonstruiert wurden. Darüber hinaus ermöglichte das so erstellte Strahlmodell die Untersuchung des Einflusses von Variationen der Strahleigenschaften auf die Dosis im Patienten. Diese Bemühungen trugen wesentlich zur erfolgreichen Inbetriebnahme des ersten kommerziellen TPS für Helium-Ionenstrahlen bei, wodurch erste Patientenbehandlungen möglich wurden. Für die korrekte Einschätzung der biologischen Schäden, welche durch diese neue Bestrahlungsmodalität induziert werden, wurde schließlich eine retrospektive Analyse einer früheren klinischen Studie durchgeführt. Dabei wurden Modelle der relativen biologischen Wirksamkeit (RBE) für Protonen und Kohlenstoffionen hinsichtlich ihrer Vorhersagefähigkeit für die Tumorkontrolle bei Prostatakrebs bewertet.