For classical and intensity modulated radiation therapy of deep-seated tumors, high-energy photons are the optimal radiation modality from an integral dose point of view. By using narrow scanned beams the treatment outcome can be improved substantially by delivering biologically optimized intensity modulated distributions often with sharp dose gradients. This requires using photons with energies well above 15 MV enabling verification of the treatment delivery in vivo by PET/CT imaging in a manner not previously possible. This new technique is based on the production of positron emitting radionuclides when the incoming high-energy photons interact through photonuclear reactions with the body tissues. The produced radionuclides, commonly 11C, 15O and 13N can then be monitored by PET and the distribution of activated nuclei show exactly where the radiation has penetrated the patient. In the subcutaneous fat, present in all humans, a high induced activity produces a perfect visualization of the location and even the intensity modulation of the incident beams. The reason for this is the high carbon content in combination with a low biological perfusion in fat tissues. Errors in the patient positioning such as setup errors or misplacement of the beams will thus show up in the PET images as a deviation from the actual radiation treatment plan. Interestingly, the imaged activity distribution from the subcutaneous fat also visualizes how the dose delivery can be deformed when the patient is erroneously positioned on the treatment couch as seen on the cover figure. Furthermore, the different half-lives of the produced radionuclides (20 min, 2 min, and 10 min, for 11C, 15O and 13N, respectively) allows for analysis of the dynamic behavior of tissue activity with the possibility of retrieving information such as tissue composition, biological and physical half-lives. The present thesis shows that considerable clinical information regarding the treatment delivery with high-energy photon beams can be obtained using PET/CT imaging. Although the study is based on the use of 50 MV photons the method may apply for beams with energies &gt; 20 MV at higher doses. / <p>At the time of the doctoral defense, the following papers were unpublished and had a status as follows: Paper 2: Submitted. Paper 3: Submitted. Paper: Manuscript.</p>

En proton thérapie, la technique de balayage, permet de traiter efficacement le patient vis à vis de l'irradiation de la tumeur et la protection des tissus sains. Ces bénéfices dosimétriques peuvent cependant être grandement dégradés par les mouvements intra-fraction. Par conséquent, l'étude de méthodes d'atténuation ou d'adaptation est nécessaire. C'est pour cela, que nous avons développé un logiciel ”open-source” de calcul et d'évaluation de dose en 4D, MSPT (Motion Simulator for Proton Therapy), pour la technique de balayage. Son but est de mettre en avant l'impact des mouvements intra-fraction en calculant la répartition de dose dans le patient. En outre, l'utilisation de MSPT nous a permis de mettre au point et de proposer une nouvelle méthode d'atténuation du mouvement basée sur l'ajustement du poids du faisceau quand celui-ci balaye la tumeur. En photon thérapie, un enjeu principal pour les traitements délivrés à l'aide de collimateurs multi-lames (MLC) consiste à trouver un ensemble de configurations du MLC permettant d'irradier correctement la tumeur. L'efficacité d'un tel ensemble se mesure par le total beam-on time et le total setup time. Dans notre étude, nous nous intéressons à la minimisation de ces critères, d'un point de vue algorithmique, pour de nouvelles technologies de MLC: le MLC rotatif et le MLC à double couche. De plus, nous proposons un algorithme d'approximation pour trouver un ensemble de configurations minimisant le total beam-on time pour le MLC rotatif / In proton therapy, the delivery method named spot scanning, can provide a particularly efficient treatment in terms of tumor coverage and healthy tissues protection. The dosimetric benefits of proton therapy may be greatly degraded due to intra-fraction motions. Hence, the study of mitigation or adaptive methods is necessary. For this purpose, we developed an open-source 4D dose computation and evaluation software, MSPT (Motion Simulator for Proton Therapy), for the spot-scanning delivery technique. It aims at highlighting the impact of intra-fraction motions during a treatment delivery by computing the dose distribution in the moving patient. In addition, the use of MSPT allowed us to develop and propose a new motion mitigation strategy based on the adjustment of the beam's weight when the proton beam is scanning across the tumor. In photon therapy, a main concern for deliveries using a multileaf collimator (MLC) relies on finding a series of MLC configurations to deliver properly the treatment. The efficiency of such series is measured by the total beam-on time and the total setup time. In our work, we study the minimization of these efficiency criteria from an algorithmic point of view, for new variants of MLCs: the rotating MLC and the dual-layer MLC. In addition, we propose an approximation algorithm to find a series of configurations that minimizes the total beam-on time for the rotating MLC

The clinical introduction of proton therapy requires an extensive analysis of its benefits compared to conventional radiotherapy and a detailed analysis of possible uncertainties which might have serious consequences for patient treatment. In the first part of the presented thesis, the expected toxicities were evaluated for a treatment of head and neck cancer patients using a biologically adapted dose escalation schedule with photon and proton therapy. The feasibility of the dose escalation schedule could be demonstrated for both photon and proton therapy, since only a small increase in toxicity risk occurred for most toxicities. However, the expected toxicity risks were in most cases smaller with proton therapy. Furthermore, a higher benefit was found for patients with primary tumour locations in the upper head and neck area, who thus might be preferably referred to proton therapy. In the second part of this thesis, an extensive analysis of the impact of tumour motion in lung cancer treatment with active-scanning proton therapy was conducted. It could be shown, that dose degradations were small for tumour motion amplitudes below 5 mm. Parameters like the target volume concept, the optimisation approach, changes in the motion pattern and application sequence times had additional impact on the dose degradation. However, their magnitude was patient specific. Since not all parameters can be assessed before treatment, e.g. the motion pattern during treatment, prospective estimations should be supplemented by retrospective analyses. / Die Einführung der Protonentherapie in die klinische Praxis erfordert umfassende Analysen ihrer Vor- und Nachteile im Vergleich zur konventionellen Photonentherapie sowie detaillierte Untersuchungen der Auswirkungen von Unsicherheiten in der Therapieapplikation. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurden die zu erwartenden Nebenwirkungen bei der Behandlung von Patienten mit Kopf-Hals-Tumoren mit einem biologisch-adaptierten Fraktionierungsschema inklusive Dosiseskalation mit Photonen- und Protonentherapie evaluiert. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Dosiseskalation sowohl mit Photonen- als auch Protonentherapie angewandt werden kann, da die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Nebenwirkungen in den meisten Fällen kaum erhöht wurde. Weiterhin wurden die Nebenwirkungswahrscheinlichkeiten mit der Protonentherapie im Vergleich zur Photonentherapie reduziert. Dies war vor allem für Patienten mit Tumoren im oberen Kopf-Hals-Bereich der Fall. Diese könnten daher bevorzugt zur Protonentherapie überwiesen werden. Darüber hinaus wurde im zweiten Teil der Arbeit eine umfassende Analyse des Einflusses der Tumorbewegung auf die Dosisverteilung bei Behandlung von Lungentumoren mit aktiver Protonenstrahlformierung durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass Dosisdegradierungen bei Bewegungsamplituden unter 5mm gering sind. Parameter wie das Zielvolumenkonzept, Veränderungen des Bewegungsmusters oder der Applikationszeiten nehmen zusätzlich Einfluss auf die Dosisdegradierung, allerdings in unterschiedlichem Maß für individuelle Patienten. Da nicht alle Parameter vor Behandlung bekannt sein können, sollten prospektive Dosisabschätzungen durch retrospektive Analysen ergänzt werden.

The clinical introduction of proton therapy requires an extensive analysis of its benefits compared to conventional radiotherapy and a detailed analysis of possible uncertainties which might have serious consequences for patient treatment. In the first part of the presented thesis, the expected toxicities were evaluated for a treatment of head and neck cancer patients using a biologically adapted dose escalation schedule with photon and proton therapy. The feasibility of the dose escalation schedule could be demonstrated for both photon and proton therapy, since only a small increase in toxicity risk occurred for most toxicities. However, the expected toxicity risks were in most cases smaller with proton therapy. Furthermore, a higher benefit was found for patients with primary tumour locations in the upper head and neck area, who thus might be preferably referred to proton therapy. In the second part of this thesis, an extensive analysis of the impact of tumour motion in lung cancer treatment with active-scanning proton therapy was conducted. It could be shown, that dose degradations were small for tumour motion amplitudes below 5 mm. Parameters like the target volume concept, the optimisation approach, changes in the motion pattern and application sequence times had additional impact on the dose degradation. However, their magnitude was patient specific. Since not all parameters can be assessed before treatment, e.g. the motion pattern during treatment, prospective estimations should be supplemented by retrospective analyses. / Die Einführung der Protonentherapie in die klinische Praxis erfordert umfassende Analysen ihrer Vor- und Nachteile im Vergleich zur konventionellen Photonentherapie sowie detaillierte Untersuchungen der Auswirkungen von Unsicherheiten in der Therapieapplikation. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurden die zu erwartenden Nebenwirkungen bei der Behandlung von Patienten mit Kopf-Hals-Tumoren mit einem biologisch-adaptierten Fraktionierungsschema inklusive Dosiseskalation mit Photonen- und Protonentherapie evaluiert. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Dosiseskalation sowohl mit Photonen- als auch Protonentherapie angewandt werden kann, da die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Nebenwirkungen in den meisten Fällen kaum erhöht wurde. Weiterhin wurden die Nebenwirkungswahrscheinlichkeiten mit der Protonentherapie im Vergleich zur Photonentherapie reduziert. Dies war vor allem für Patienten mit Tumoren im oberen Kopf-Hals-Bereich der Fall. Diese könnten daher bevorzugt zur Protonentherapie überwiesen werden. Darüber hinaus wurde im zweiten Teil der Arbeit eine umfassende Analyse des Einflusses der Tumorbewegung auf die Dosisverteilung bei Behandlung von Lungentumoren mit aktiver Protonenstrahlformierung durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass Dosisdegradierungen bei Bewegungsamplituden unter 5mm gering sind. Parameter wie das Zielvolumenkonzept, Veränderungen des Bewegungsmusters oder der Applikationszeiten nehmen zusätzlich Einfluss auf die Dosisdegradierung, allerdings in unterschiedlichem Maß für individuelle Patienten. Da nicht alle Parameter vor Behandlung bekannt sein können, sollten prospektive Dosisabschätzungen durch retrospektive Analysen ergänzt werden.