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Abstract

Das zentrale Problem bei der Strahlenbehandlung von Tumoren besteht darin, eine hohe und räumlich homogen verteilte Energiedosis im zu bestrahlenden Zielvolumen zu deponieren und gleichzeitig das umliegende Normalgewebe so weit wie möglich zu schonen. In der vorliegenden Arbeit wird untersucht, wie eine solche Anpassung (”Kon-formation“) der räumlichen Dosisverteilung an beliebig geformte Zielvolumina erreicht werden kann und wo die physikalischen Grenzen liegen. Insbesondere werden die spezifischen Möglichkeiten von Bestrahlungen mit verschiedenen Strahlenarten unter diesen Gesichtspunkten ermittelt, wobei eine grobe Einteilung in Bestrahlungen mit geladenen und ungeladenen Teilchen vorgenommen wird. Aufgrund der unterschiedlichen Wechselwirkungsprinzipien kann eine konformierende Dosisverteilung im Fall von schweren geladenen Teilchen bereits mit nur einem Strahlungsfeld erreicht werden; bei ungeladenen Teilchen sind dazu mehrere Strahlungsfelder aus verschiedenen Richtungen erforderlich.

Zunächst werden die Möglichkeiten und Grenzen der Dosiskonformation theoretisch abgeschätzt. Es werden analytische Näherungsverfahren zur Modellierung von Dosisverteilungen mit ungeladenen und geladenen Teilchen entwickelt. Im Rahmen dieser Näherungen wird die Theorie der exponentiellen Radontransformation zur Bestimmung der optimalen Parameter für die Erzielung einer gewünschten Dosisverteilung herangezogen. Damit wird für den Fall unendlich vieler Strahlungsfelder in der Ebene gezeigt, daß sowohl mit ungeladenen als auch mit geladenen Teilchen eine Anpassung des Hochdosisbereichs an beliebig geformte Zielvolumina möglich ist. Die Dosis in einem kleinen strahlensensiblen Risikoorgan in unmittelbarer Nachbarschaft des Zielvolumens kann bis auf Streubeiträge reduziert werden. Bei geladenen Teilchen ist dies auch für mehrere Risikoorgane möglich. Ferner ist der nicht-konforme ”Dosisuntergrund“ bei geladenen Teilchen stets kleiner als bei ungeladenen.

In einem mehr anwendungsbezogenen Kapitel wird ein Algorithmus zur Optimierung von Dosisverteilungen unter praktischen Randbedingungen, d. h. im Dreidimensionalen, mit endlich vielen Strahlungsfeldern und für endliche Auflösungen der Strahlformungssysteme entwickelt. Um optimale Dosisverteilungen erzielen zu können, ist der Einsatz von fluenz- und (bei geladenen Teilchen) energiemodulierten Strahlungsfeldern erforderlich. Speziell im Fall von ungeladenen Teilchen sind die technischen Voraussetzungen dazu bisher noch nicht gegeben. Es werden daher neuentwickelte Ansätze zur Fluenzmodulation für ungeladene Teilchen unter Verwendung eines dynamisch oder quasi-dynamisch angesteuerten ”Multileaf-Kollimators“ vorgestellt.

Des weiteren wird das erste Phantomexperiment beschrieben, bei dem diese verallgemeinerten Methoden zur Erzielung der bestmöglichen konformierenden Dosisverteilung mit hochenergetischen Photonen (15-MV-Bremsstrahlungsspektrum) realisiert wurden. Der hohe Grad der praktisch erreichbaren Dosiskonformation wird damit verifiziert. Schließlich wird ein Vergleich der mit Photonen und Protonen erzielbaren optimierten Dosisverteilungen für komplizierte klinische Fälle durchgeführt, bei denen die konventionelle Strahlentherapie an ihre Grenzen stößt.

Das wichtigste Ergebnis: Bestrahlungen mit ungeladenen Teilchen und speziell mit hochenergetischer Röntgenstrahlung können so optimiert werden, daß mit relativ wenigen (weniger als zehn) Strahlungsfeldern in allen klinisch auftretenden Fällen konformierende Dosisverteilungen zu erzielen sind. Die Belastung des gesunden Gewebes ist naturgemäß höher als bei schweren geladenen Teilchen. Die Toleranzwerte können jedoch stets eingehalten werden. Eine Ausnahme stellen die seltenen Fälle dar, bei denen das Zielvolumen auf fast allen Seiten von besonders strahlenempfindlichen Risikoorganen umgeben ist. Nur in diesen Fällen kann durch die technisch aufwendigere Therapie mit schweren geladenen Teilchen ein wesentlich besseres Ergebnis erzielt werden.