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type: doctoralThesis
metadata_visibility: show
creators_name: Boucsein, Marc Oliver
title: An end-to-end pipeline to study and
model proton radiation-induced effects
of the central nervous system as a
function of dose and linear energy
transfer at the single-cell level in 3D
subjects: ddc-530
divisions: i-130001
adv_faculty: af-13
cterms_swd: Medizinische Physik
cterms_swd: Proton
cterms_swd: Strahlentherapie
cterms_swd: Bremsvermögen
abstract: Proton therapy is a promising form of brain radiotherapy due to its characteristic
Bragg peak profile sparing normal tissue. However, late side effects have been observed
and the underlying mechanisms are not fully understood. An end-to-end pipeline
was first proposed to investigate late brain tissue-specific radiation-induced effects
associated with the central nervous system (CNS) as a function of dose and linear
energy transfer (LET) at the single-cell level in 3D for a well-established preclinical
experiment mimicking patient treatment. This pipeline includes Monte Carlo-based
dose and LET calculation, target delivery verification, image processing tasks in-
cluding preprocessing, local-affine multi-step registrations, a topology-preserving
segmentation, and analysis modules using 2-point density correlation functions, the
Riemann elastic metric, and the CNS network size to measure compactness, shape
and size heterogeneity. As a proof of principle, the pipeline was applied to investigate
the observed radiation-induced astrogliosis segmented with a Dice coefficient of 0.86,
achieving a maximum dose and LET uncertainty of 2.5 Gy and 2 keV/mum. In
conclusion, the analysis reveals that the process of astrogliosis can be considered as
a functional acting unit showing a radiation-induced late effect as a function of the
brain tissue type, dose and LET indicating a variable relative biological effectiveness.
abstract_translated_text: Die Protonentherapie ist aufgrund ihres charakteristischen Bragg-Peak-Profils, das
normales Gewebe besonders schont, eine vielversprechende Form der Hirnbestrahlung.
Es wurden jedoch späte Nebenwirkungen beobachtet, und die zugrunde liegenden
Mechanismen sind nicht vollständig geklärt. Wir haben erstmalig eine End-to-End-
Pipeline entwickelt, um späte hirngewebsspezifische strahleninduzierte Effekte im
Zusammenhang mit dem Zentralnervensystem (ZNS) als Funktion der Dosis und
des linearen Energietransfers (LET) auf Einzelzellebene in 3D für ein etabliertes
präklinisches Experiment, das die Patientenbehandlung nachahmt, zu untersuchen.
Die Pipeline umfasst Monte-Carlo-basierte Dosis- und LET-Berechnungen, Zielverifi-
zierung, Bildverarbeitungsaufgaben einschließlich Bildvorverarbeitung, lokal-affine
mehrstufige Registrierungen, topologieerhaltende Segmentierung und Analysemodule
unter Verwendung von 2-Punkt-Dichtekorrelationsfunktionen, der Riemannschen
Elastizitätsmetrik und der ZNS-Netzwerkgröße zur Messung von Kompaktheit, Form
und Größenheterogenität. Als proof of principle wurde die Pipeline verwendet, um
die beobachtete strahleninduzierte Astrogliose zu untersuchen, segmentiert mit einem
Dice-Koeffizienten von 0.86, mit einer maximalen Dosis und LET-Unsicherheit von
2.5 Gy und 2 keV/mum. Zusammenfassend zeigt die Analyse, dass der Prozess der
Astrogliose als eine funktionelle Einheit verstanden werden kann, die einen strah-
leninduzierten Späteffekt als Funktion des Hirngewebetyps, der Dosis und der LET
aufweist, was auf eine variable relative biologische Wirksamkeit hinweist.
abstract_translated_lang: ger
date: 2024
id_scheme: DOI
id_number: 10.11588/heidok.00035224
ppn_swb: 1898097275
own_urn: urn:nbn:de:bsz:16-heidok-352243
date_accepted: 2024-07-23
advisor: HASH(0x561a62a0f368)
language: eng
bibsort: BOUCSEINMAANENDTOEND20240723
full_text_status: public
place_of_pub: Heidelberg
citation:   Boucsein, Marc Oliver  (2024) An end-to-end pipeline to study and model proton radiation-induced effects of the central nervous system as a function of dose and linear energy transfer at the single-cell level in 3D.  [Dissertation]     
document_url: https://archiv.ub.uni-heidelberg.de/volltextserver/35224/1/PhD_Thesis_Marc_Boucsein.pdf