No description available.

Τα τελευταία χρόνια, η ραγδαία αύξηση των χρηστών ασύρματης επικοινωνίας και η ολοένα και αυξανόμενη ζήτηση πιο αποδοτικών επικοινωνιών μεταξύ των χρηστών, έστρεψαν το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας στην μελέτη πιο ευέλικτων ασύρματων δικτύων. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον προς αυτή την κατεύθυνση παρουσιάζουν τα Γνωστικά Συστήματα Ραδιοεπικοινωνιών (Cognitive Radios). Τα Γνωστικά Συστήματα είναι ευφυή συστήματα τα οποία έχουν την ικανότητα να αντιλαμβάνονται τα χαρακτηριστικά του περιβάλλοντος στο οποίο βρίσκονται και να προσαρμόζουν κατάλληλα τις παραμέτρους της μετάδοσης τους με στόχο πιο αξιόπιστες και πιο ευέλικτες επικοινωνίες. Ιδιαίτερο χαρακτηριστικό αυτών των συστημάτων είναι το γεγονός ότι μπορούν να συνυπάρξουν ταυτόχρονα δύο είδη χρηστών, οι κύριοι και οι δευτερεύοντες. Κύριοι είναι οι χρήστες οι οποίοι έχουν νόμιμη άδεια χρήσης μιας ζώνης συχνοτήτων από κάποια αρμόδια αρχή, ενώ δευτερεύοντες ονομάζονται οι χρήστες του δικτύου που δεν έχουν άδεια χρήσης κάποιας ζώνης συχνοτήτων αλλά υπό κατάλληλες συνθήκες μπορούν να χρησιμοποιήσουν κάποια ζώνη που ανήκει στους κύριους χρήστες. Η μετάδοση των δευτερευόντων χρηστών γίνεται με τέτοιο τρόπο (συχνότητα και χρόνο μετάδοσης), ώστε να μην δημιουργείται παρεμβολή στους κύριους χρήστες. Πρόσφατα, το ερευνητικό ενδιαφέρον στράφηκε προς την χαρτογράφηση κάποιον φαινομένων σε τέτοιου είδους συστήματα. Πιο συγκεκριμένα, με τον όρο χαρτογράφηση εννοούμε την μελέτη ενός φαινομένου, όπως για παράδειγμα της παρεμβολής ή του κέρδους του καναλιού όχι μόνο ως προς το χρόνο αλλά και ως προς το χώρο. Για παράδειγμα, στα γνωστικά συστήματα η χαρτογράφηση του καναλιού δίνει τη δυνατότητα στους δευτερεύοντες χρήστες ανά πάσα στιγμή να γνωρίζουν το πιθανό κανάλι επικοινωνίας προς όλα τα σημεία του χώρου που μελετούμε. Κάτι τέτοιο, λόγω της ιδιαιτερότητας αυτού του συστήματος, μπορεί να δώσει πολύτιμες πληροφορίες για τον τρόπο με τον οποίο μπορούν να εκπέμψουν οι δευτερεύοντες χρήστες έτσι ώστε να μην παρεμβάλλονται στην μετάδοση των κύριων χρηστών. Οι εργασίες που σχετίζονται με τα γνωστικά συστήματα μέχρι τώρα είχαν ως στόχο την μελέτη είτε της επισκίασης είτε της παρεμβολής που μετριέται σε ένα σημείο του χώρου. Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας, στόχος μας ήταν η μελέτη της μακροπρόθεσμης πρόβλεψης (long range prediction) ενός καναλιού σε ένα δίκτυο κινούμενων γνωστικών χρηστών, κάτι το οποίο δεν έχει μελετηθεί έως τώρα. Με τον όρο μακροπρόθεσμη πρόβλεψη καναλιού αναφερόμαστε στην εκτίμηση του καναλιού σε κάποια επόμενη χρονική στιγμή. Δεδομένου ότι το κανάλι επηρεάζεται τόσο από φαινόμενα μικρής όσο και από ευρείας κλίμακας στρέψαμε το ενδιαφέρον μας σε ένα ενοποιημένο μοντέλο καναλιού που περιλαμβάνει και τα δύο είδη εξασθένησης. Αυτή η μακροπρόθεσμη πρόβλεψη του χρονικά μεταβαλλόμενου καναλιού αποσκοπεί στην χαρτογράφηση των διαθέσιμων καναλιών στο χώρο αλλά και στο χρόνο, πληροφορία που μπορεί να φανεί πολύ χρήσιμη σε διάφορες εφαρμογές όπως αυτή της δρομολόγησης πακέτων πληροφορίας σε ένα δίκτυο, ή της κατανομής ενέργειας στα γνωστικά και σε άλλα ασύρματα συστήματα. Πιο συγκεκριμένα, στο κεφάλαιο 1, θα αναφερθούμε στις νέες τάσεις που ακολουθούνται στις ασύρματες επικοινωνίες. Αρχικά θα αναφερθούμε στις συνεργατικές επικοινωνίες και τις λεγόμενες συντονισμένες μεταδόσεις πολλαπλών σημείων ενώ στην συνέχεια θα επικεντρωθούμε στα γνωστικά δίκτυα και τις λειτουργίες που επιτελούν. Στο κεφάλαιο 2 θα περιγράψουμε με λεπτομέρεια τους μηχανισμούς διάδοσης των ηλεκρομαγνητικών κυμάτων και τα δύο βασικά είδη εξασθένησης που παραμορφώνουν το λαμβανόμενο σήμα στον δέκτη. Στη συνέχεια του κεφαλαίου αυτού θα περιγράψουμε διάφορα μοντέλα που περιγράφουν τα δύο είδη εξασθένησης και τέλος, θα παρουσιάσουμε ένα μοντέλο που τα συνδυάζει. Στο κεφάλαιο 3, θα παρουσιάσουμε ένα ενοποιημένο μοντέλο το οποίο συμπεριλαμβάνει τόσο τα μικρής όσο και τα μεγάλης κλίμακας φαινόμενα το οποίο θα υιοθετήσουμε στην συνέχεια στην πειρματική μας διαδικασία. Επιπλέον, θα παρουσιάσουμε τους λόγους για τους οποίους στρέψαμε την προσοχή μας στο εν λόγω θέμα. Στο κεφάλαιο 4 θα αναφερθούμε στην έννοια της χαρτογράφησης ενός φαινομένου σε ένα γνωστικό σύστημα και στην τρέχουσα βιβλιογραφία. Πιο συγκεκριμένα, θα κάνουμε μία ιστορική αναδρομή της χρήσης της χαρτογράφησης στα γνωστικά συστήματα. Ξεκινώντας από την χαρτογράφηση της παρεμβολής σε ένα δίκτυο και την χαρτογράφηση του φάσματος, θα επικεντρωθούμε στην χαρτογράφηση των φαινομένων ευρείας κλίμακας και ειδικά στην χαρτογράφηση της επισκίασης. Στο κεφάλαιο 5 θα μελετήσουμε την έννοια της εκτίμησης και παρακολούθησης καναλιού και θα επικεντρωθούμε σε παραμετρικά κανάλια. Στο τέλος του κεφαλαίου, θα διευρύνουμε την παρακολούθηση ενός καναλιού με την διαδικασία της μακροπρόθεσμης πρόβλεψης του κέρδους του καναλιού. Αυτή η επιπλέον γνώση της μακροπρόθεσμης πρόβλεψης σε συνδυασμό με διαδικασίες χωρικής παρεμβολής σε ένα γνωστικό σύστημα μπορεί να βελτιώσει πολύ τις συνθήκες μετάδοσης. Λόγω της ιδιαιτερότητας που παρουσιάζουν τα εν λόγω συστήματα κάθε επιπλέον μακροπρόθεσμη πληροφορία της κατάστασης του δικτύου μπορεί να βοηθήσει σε σημαντικές αποφάσεις κατανομής ισχύος ή μετάδοσης ώστε να ελαχιστοποιηθεί η παρεμβολή προς τους κύριους χρήστες. Στο κεφάλαιο 6 θα περιγράψουμε με λεπτομέρεια το πρόβλημα μακροπρόθεσμης πρόβλεψης με το οποίο ασχοληθήκαμε και θα παρουσιάσουμε μία σειρά από πειραματικά αποτελέσματα που σχετίζονται με την ποιότητα της πρόβλεψης του καναλιού κάτω από διαφορετικές συνθήκες. Τέλος, στο κεφάλαιο 7 θα αναφερθούμε στα συμπεράσματα που προέκυψαν από την συγκεκριμένη διπλωματική εργασία καθώς και σε κάποιες μελλοντικές κατευθύνσεις που παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον. Οι κατευθύνσεις αυτές σχετίζονται τόσο για το συγκεκριμένο αλγόριθμο που χρησιμοποιήσαμε όσο και με πιθανές εφαρμογές του. / In recent years, the use of wireless communication systems has rapidly increased along with the demand for more resource hungry applications. To support such demands, the research community has been focusing into new more efficient and more flexible communications techniques and systems. To this end, the so-called cognitive radio systems are of particular interest. In a cognitive system, the participating communication nodes are able of understanding the special characteristics of the surrounding environment and adjust, accordingly, their transmission parameters in order to achieve a reliable level of communication. An identifying element of such systems is the co-existence of two kinds of users, i.e. the primary and the secondary ones. The first are licensed users of a specific transmission band as opposed to the second, who are not licensed to use such a band, however under certain constraints and conditions they are allowed to. Their transmission is performed in an appropriate manner so as not to interfere with the primary users. Currently, there is an active research interest in the so-called cartography of certain phenomena that occur in the wireless medium used by systems like the cognitive ones. Specifically, the term cartography is used for the study of a phenomenon such as the gain of channel through time and space for any pair of points in a given region. This information could, for example, support the decision making procedure of a secondary user related to the selection of a transmission band to use for transmission, reducing in this way the produced interference level. The research efforts, so far, has been focusing on the cartography of either the shadowing phenomenon or the interference that is present at a particular point at space. In this master thesis, the main target is the study of long-range channel prediction algorithms in a cognitive network of mobile users that take into account both small and large scale fading. The phrase “long-range channel prediction” refers to the process of predict the value of the channel at a future time instant. In order to capture the twofold nature to fading, i.e. small and large scale one, a unifying channel model is adopted. This operation and the predicted information aim at providing the necessary tools in order to map the available channels into space as well as time. This information can be valuable in numerous applications such as routing of data packets and resource allocation. In more detail, chapter 1 is an introduction to wireless communications focusing on their history and the new directions that look to the future. Specifically, a description will be provided for the evolution of cellular and ad hoc wireless networks along with three new tendencies, i.e. cooperative communications, coordinated multipoint or transmissions and cognitive networks. In chapter 2, an introduction of the wireless medium for transmitting communications signals is presented. Specifically, at first, the propagation mechanisms of electromagnetic waves along with their two main sources of fading that distort signals will be provided. Then, appropriate models for the fading sources will be described which are useful for developing and evaluating communications algorithms. A unified model that incorporates both small and large-scale fading is presented in chapter 3. This model will be used later in this thesis during the experimental analysis. Moreover, a motivation of looking into this direction will be provided. In chapter 4, a bibliographic presentation of cartography will be presented. The chapter will start with a historical review of chartography. First, the focus will be on the mapping of interference and spectrum usage. Then, the focus will shift towards the mapping of large scale phenonena, especially, the mapping of shadowing. The estimation/tracking and prediction of wireless channels will be the main focus of chapter 5. Parametric channels and associated algorithms will be presented. Moreover, a long rage prediction algorithm, that is studied in this thesis, will be described in detail. This additional information combined with spatial interpolation techniques can, in general, be used to improve the transmission conditions in a cognitive system. This information, in such systems, can assist in decision making procedures related to power allocations and transmissions, so as to mitigate the interference among the users. The aforementioned synthesized channel model along with the long rage prediction problem that is studied in this thesis will be evaluated in chapter 6. In this chapter, exhaustive simulations have been conducted targeting the prediction performance under different propagation conditions. Finally, in chapter 7, the main conclusions drawn in this thesis along with some future research directions will be provided. The directions are related both with the specific algorithm that was studied and some possible applications.

Global warming and its effects on the environment call for electrification of the transportation sector. In this effort, the boating industry has not been a pioneer, while being responsible for almost 3 percent of global anthropogenic carbon emissions. In their attempt to help achieve the Swedish Government’s goal of being climate neutral by 2045, the Swedish Sea Rescue Society has launched a project, in cooperation with many different companies and sponsors, which aims at developing an electric hydrofoil rescue boat. However, given the low energy density of batteries compared to liquid fuels and the low availability of chargers at sea, this introduces the problem of range anxiety among the users. Hence, the goal of this thesis is to develop a prototype of a navigation interface with the purpose of mitigating range anxiety to allow sea rescuers to confidently choose the electric rescue boat over the traditional combustion engine boats on their future rescue missions. Three individuals with extensive experience with sea rescue missions and marine navigation were interviewed using semi-structured interviews. The interviews were analysed using thematic analysis. Based on the information received from the interviews the thesis presents a prototype of a range prediction interface, using rings on a sea chart to indicate the range of the boat based on a few parameters. The prototype can serve as inspiration for the implementation of a navigation interface for an electrical driven boat in a future phase of the project. We also expect that the thesis will serve as a proof of concept for the consumer market, which, in a hopefully not-too-distant future, moves towards electrification. / Den globala uppvärmningen och dess påverkan på miljön kräver en elektrifiering av transportsektorn. I denna process har båtindustrin inte varit en pionjär, trots att den står för nästan 3 procent av de globala antropogena koldioxitutsläppen. I enlighet med Sveriges Regerings mål att vara klimatneutrala till 2045 har Svenska Sjöräddningssällskapet påbörjat ett projekt, i samarbete med en rad företag och sponsorer, som syftar till att utveckla en elektrisk räddningsbåt. Med tanke på den låga energitätheten hos batterier i jämförelse med flytande bränslen och den låga tillgängligheten av laddare, introducerar denna elektrifiering problemet med räckviddsångest hos användarna. Därmed är målet med avhandlingen att utveckla en prototyp av ett navigeringsgränssnitt som syftar till att mildra räckviddsångesten så att sjöräddarna kan känna sig trygga i att välja den elektriska båten framför de traditionella förbränningsmotorbåtarna på framtida räddningsuppdrag. Tre individer med omfattande erfarenhet av sjöräddningsuppdrag och marin navigation intervjuades med semistrukturerade intervjuer. Intervjuerna analyserades med hjälp av tematisk analys. Baserat på intervjuerna presenteras, I avhandlingen, en prototyp av ett gränssnitt för avståndsbedömning där ringar på ett sjökort används för att indikera båtens räckvidd baserat på några parametrar. Prototypen kan tjäna som inspiration för implementeringen av ett sådant system i en framtida fas av projektet. Vi hoppas också att avhandlingen ska fungera som ett proof-of-concept för konsumentmarknaden, som inom en snar framtid förhoppningsvis går mot elektrifiering.

Die Protonentherapie zeichnet sich durch eine konformale und fokussierte Tumorbestrahlung aus, die es ermöglicht, gesundes Gewebe besser zu schonen als bei der konventionellen Strahlentherapie. Dieses Potential wird jedoch durch Unsicherheiten bei der Vorhersage der Protonenreichweite im Gewebe oder durch anatomische Veränderungen über den Verlauf der Therapie eingeschränkt. In der vorliegenden Arbeit wurde daher der klinische Nutzen eines Reichweiteverifikationssystems auf Grundlage von Prompt-Gamma-Imaging (PGI) zur Behandlungskontrolle untersucht. Dafür wurden Messungen mit einem PGI-System während Prostata- und Kopf-Hals-Tumor-Bestrahlungen durchgeführt und retrospektiv ausgewertet. Einerseits konnte dabei mittels PGI die Genauigkeit verschiedener Methoden zur Reichweitevorhersage überprüft werden. Es zeigte sich, dass die 2019 klinisch eingeführte Methode zur Reichweitevorhersage (DirectSPR) nicht von der mit PGI gemessenen Protonenreichweite in Prostata-Tumor-Bestrahlungen abweicht, wodurch die Reduktion der auf DirectSPR basierenden Reichweiteunsicherheiten unabhängig bestätigt werden konnte. Andererseits konnte die Detektionsfähigkeit von PGI bei der Erkennung relevanter und nicht relevanter anatomischer Veränderungen in applizierten Bestrahlungsfeldern nachgewiesen werden. Insbesondere wurde für die feldweise Klassifizierung der Prostata-Bestrahlungen eine Sensitivität und Spezifität von 74% bzw. 79% festgestellt. Damit konnte in dieser Dissertation erstmals systematisch das klinische Anwendungspotential eines Systems zur PGI-Reichweiteverifikation gezeigt werden. Als zusätzliche Untersuchung wurde in einer Kollaboration mit dem Massachusetts General Hospital zum ersten Mal ein Vergleich zwischen zwei verschiedenen, auf prompter Gammastrahlung basierenden Systemen zur Reichweiteverifikation durchgeführt. Dazu wurde ein standardisiertes Studienprotokoll etabliert, welches die Vergleichbarkeit und die klinische Implementierung von Reichweiteverifikationssystemen generell unterstützen könnte.:1 Einleitung 2 Strahlentherapie mit Protonen 2.1 Physikalische Grundlagen der Protonentherapie 2.2 Behandlungsablauf in der Protonentherapie 2.2.1 Bildgebung zur Therapieplanung 2.2.2 Bestrahlungsplanung 2.2.3 Strahlapplikation 2.3 Genauigkeit in der Protonentherapie 2.3.1 Ursachen für Behandlungs- und Reichweiteunsicherheiten 2.3.2 Aktueller Stand der Behandlungs- und Reichweiteverifikation 3 Methodik der Reichweiteverifikation mittels Prompt-Gamma-Bildgebung (PGI) 3.1 Funktionsprinzip der PGI-Schlitzkamera 3.2 Datenaufnahme und -verarbeitung 3.2.1 Detektoraufbau und Signalaufnahme 3.2.2 PGI-Simulation und Bestimmung der Reichweiteabweichung 3.3 Charakterisierung des PGI-Prototyps 3.3.1 Kalibrierung des Systems 3.3.2 Positionierungspräzision 3.4 Überblick zur PRIMA-Studie 3.5 Experimentelle Studien zur PGI-Simulationsgenauigkeit 3.5.1 Abhängigkeit vom PGI-Sichtfeld und der Protonenenergie 3.5.2 Validierung der erweiterten Simulationssoftware 3.5.3 Abhängigkeit von der Tumorentität 3.5.4 Schlussfolgerungen 4 Validierung der CT-basierten Reichweitevorhersage mittels PGI 4.1 Konzept der Validierung 4.2 Gesamtabschätzung der Validierungsunsicherheit 4.3 Ergebnisse der Validierung 4.4 Diskussion 5 Detektionsfähigkeit anatomischer Veränderungen mittels PGI 5.1 Prinzipieller Aufbau der Studie 5.2 Grundwahrheit auf Basis von CT- und Dosisinformationen 5.2.1 Manuelle Klassifizierung 5.2.2 Klassifizierung auf Grundlage von integrierten Tiefendosisprofilen 5.2.3 Ergebnis der Etablierung einer CT-basierten Grundwahrheit 5.3 Etablierung einer Klassifikation auf Basis von PGI-Daten 5.3.1 Verarbeitung der PGI-Daten mittels Cluster-Algorithmus 5.3.2 Definition von spot- oder clusterbasierten Klassifikationsmodellen 5.4 Ergebnisse der PGI-Detektionsfähigkeit 5.4.1 Auswertung für Patienten mit Prostata-Tumor 5.4.2 Auswertung für Patienten mit Tumoren im Kopf-Hals-Bereich 5.5 Diskussion 6 Genauigkeit zweier Reichweiteverifikationsmethoden – bizentrischer Vergleich 6.1 Material und Methoden 6.1.1 Bildgebung 6.1.2 Bestrahlungsplanung 6.1.3 Durchführung und Auswertung 6.2 Ergebnisse 6.3 Diskussion 7 Zusammenfassung 8 Summary / Proton therapy is a conformal and focused irradiation of the tumor, which allows for a better sparing of healthy tissue than with conventional radiotherapy. However, this potential is limited by uncertainties from the proton range prediction in the patient or anatomical changes over the course of the treatment. Therefore, in this work, the clinical benefit of a range verification system based on the prompt-gamma-imaging (PGI) method for treatment verification was investigated. For this purpose, measurements were carried out with a PGI system during prostate and head and neck cancer irradiations and evaluated retrospectively. On the one hand, PGI was used to review the accuracy of several range prediction methods. The results showed that a specific method for range prediction (DirectSPR), which was clinically introduced in 2019, does not deviate from the PGI-measured proton range in prostate cancer irradiations. This means that the reduction of the range uncertainties with DirectSPR could be independently confirmed. On the other hand, the detection capability of PGI in identifying relevant and non-relevant anatomical changes in delivered treatment fields was demonstrated. In particular, for the fieldwise classification of prostate irradiations a sensitivity and specificity of 74% and 79% was determined, respectively. Thus, the clinical potential of a PGI range verification system was for the first time systematically demonstrated in this thesis. Furthermore, in a collaboration with the Massachusetts General Hospital a first-time comparison of two different range verification systems based on prompt gamma radiation was conducted. Therefore, a standardized study protocol was established, which could generally foster the comparability and clinical implementation of range verification systems.:1 Einleitung 2 Strahlentherapie mit Protonen 2.1 Physikalische Grundlagen der Protonentherapie 2.2 Behandlungsablauf in der Protonentherapie 2.2.1 Bildgebung zur Therapieplanung 2.2.2 Bestrahlungsplanung 2.2.3 Strahlapplikation 2.3 Genauigkeit in der Protonentherapie 2.3.1 Ursachen für Behandlungs- und Reichweiteunsicherheiten 2.3.2 Aktueller Stand der Behandlungs- und Reichweiteverifikation 3 Methodik der Reichweiteverifikation mittels Prompt-Gamma-Bildgebung (PGI) 3.1 Funktionsprinzip der PGI-Schlitzkamera 3.2 Datenaufnahme und -verarbeitung 3.2.1 Detektoraufbau und Signalaufnahme 3.2.2 PGI-Simulation und Bestimmung der Reichweiteabweichung 3.3 Charakterisierung des PGI-Prototyps 3.3.1 Kalibrierung des Systems 3.3.2 Positionierungspräzision 3.4 Überblick zur PRIMA-Studie 3.5 Experimentelle Studien zur PGI-Simulationsgenauigkeit 3.5.1 Abhängigkeit vom PGI-Sichtfeld und der Protonenenergie 3.5.2 Validierung der erweiterten Simulationssoftware 3.5.3 Abhängigkeit von der Tumorentität 3.5.4 Schlussfolgerungen 4 Validierung der CT-basierten Reichweitevorhersage mittels PGI 4.1 Konzept der Validierung 4.2 Gesamtabschätzung der Validierungsunsicherheit 4.3 Ergebnisse der Validierung 4.4 Diskussion 5 Detektionsfähigkeit anatomischer Veränderungen mittels PGI 5.1 Prinzipieller Aufbau der Studie 5.2 Grundwahrheit auf Basis von CT- und Dosisinformationen 5.2.1 Manuelle Klassifizierung 5.2.2 Klassifizierung auf Grundlage von integrierten Tiefendosisprofilen 5.2.3 Ergebnis der Etablierung einer CT-basierten Grundwahrheit 5.3 Etablierung einer Klassifikation auf Basis von PGI-Daten 5.3.1 Verarbeitung der PGI-Daten mittels Cluster-Algorithmus 5.3.2 Definition von spot- oder clusterbasierten Klassifikationsmodellen 5.4 Ergebnisse der PGI-Detektionsfähigkeit 5.4.1 Auswertung für Patienten mit Prostata-Tumor 5.4.2 Auswertung für Patienten mit Tumoren im Kopf-Hals-Bereich 5.5 Diskussion 6 Genauigkeit zweier Reichweiteverifikationsmethoden – bizentrischer Vergleich 6.1 Material und Methoden 6.1.1 Bildgebung 6.1.2 Bestrahlungsplanung 6.1.3 Durchführung und Auswertung 6.2 Ergebnisse 6.3 Diskussion 7 Zusammenfassung 8 Summary

Derzeitige Reichweiteunsicherheiten in der Protonentherapie verhindern das vollständige Ausschöpfen ihrer physikalischen Vorteile. Ein wesentlicher Anteil ist dabei auf die Vorhersage der Reichweite mittels Röntgen-Computertomographie (CT) zurückzuführen. Um die CT-bezogene Unsicherheit zu verringern, wird die Zwei-Spektren-Computertomographie (DECT) als vielversprechend angesehen. Innerhalb dieser Arbeit wurde die Anwendbarkeit von DECT in der Protonentherapie untersucht. Zunächst wurde ein CT-Scanprotokoll für die Strahlentherapie hinsichtlich Bildqualität und Konstanz der CT-Zahlen für verschiedene Körperregionen und -größen optimiert. Anschließend wurde die patientenindividuelle DECT- basierte Reichweitevorhersage kalibriert und ihre Genauigkeit in zwei Experimenten mit bekannter Referenz unter Verwendung eines anthropomorphen Phantoms und von homogenen biologischen Geweben verifiziert. Die klinische Relevanz von DECT wurde in einer retrospektiven Analyse von Krebspatienten mit Tumoren im Kopf, Becken oder Thorax nachgewiesen. Die systematischen Reichweiteunterschiede zwischen DECT und dem klinischen Standardverfahren konnten durch die Optimierung der Standardmethode basierend auf zusätzlichen mit DECT erworbenen Patienteninformationen reduziert werden. Somit wurde DECT erstmalig klinisch genutzt, um die Reichweiteberechnung zu verbessern. Die patientenindividuelle DECT-basierte Reichweitevorhersage kann zusätzlich Gewebevariabilitäten innerhalb eines und zwischen Patienten berücksichtigen, wie für Kopftumorpatienten gezeigt wurde. Dies legt den Grundstein für eine genauere Reichweiteberechnung und eröffnet neue Möglichkeiten für die Reduktion klinischer Sicherheitssäume, in denen die CT-bezogenen Unsicherheiten berücksichtigt sind.:1 Introduction 2 Physical Principles of Computed Tomography 2.1 Image Acquisition 2.2 Image Reconstruction 2.3 Dual-Energy Computed Tomography 3 Physical Principles of Proton Therapy 3.1 Treatment Techniques 3.2 Uncertainties in Proton Therapy 4 Principles of Stopping-Power Prediction from Computed Tomography 4.1 Single-Energy Computed Tomography 4.2 Dual-Energy Computed Tomography 5 Experimental Calibration of Stopping-Power Prediction 5.1 Scan Protocol Optimisation in Computed Tomography 5.2 Characterisation of Pseudo-Monoenergetic CT Calculation 5.3 Determination of Proton Stopping Power 5.4 Calibration of Stopping-Power Prediction Methods 6 Experimental Verification of Stopping-Power Prediction 6.1 Anthropomorphic Head Phantom 6.2 Homogeneous Biological Tissue Samples 7 Clinical Translation and Validation of Dual-Energy Computed Tomography 7.1 Feasibility of Dual-Spiral Dual-Energy CT 7.2 Range Prediction in Cerebral and Pelvic Tumour Patients 7.3 Tissue Variability in Brain-Tumour Patients 7.4 Feasibility of 4D Dual-Spiral Dual-Energy CT 7.5 DECT-Based Refinement of the Hounsfield Look-Up Table 8 Summary 9 Zusammenfassung / Range uncertainty in proton therapy currently hampers the full exploitation of its physical advantages. A substantial amount of this uncertainty arises from proton range prediction based on X-ray computed tomography (CT). Dual-energy CT (DECT) has often been suggested as a promising imaging modality to reduce this CT-related range uncertainty. Within this thesis, the translation of DECT into application in proton therapy was evaluated. First, a CT scan protocol was optimised for radiotherapy considering the image quality and CT number stability for various body regions and sizes. The patient-specific DECT-based range prediction was then calibrated and its accuracy validated in two ground-truth experiments using an anthropomorphic phantom and homogeneous biological tissues. Subsequently, the clinical relevance of DECT was demonstrated in a retrospective cohort analysis of cerebral, pelvic and thoracic tumour patients. The systematic range deviations between the DECT and state-of-the-art approach were then reduced by adapting the standard method utilizing additional patient information obtained from DECT. Hence, DECT was clinically applied for the first time to refine proton range calculation. As a further step, the use of patient-specific DECT-based range prediction also considers intra- and inter-patient tissue variabilities as quantified in brain-tumour patients. A future implementation will be an important cornerstone to improve proton range calculation and might open up the possibility to reduce clinical safety margins accounting for the CT-related range uncertainty.:1 Introduction 2 Physical Principles of Computed Tomography 2.1 Image Acquisition 2.2 Image Reconstruction 2.3 Dual-Energy Computed Tomography 3 Physical Principles of Proton Therapy 3.1 Treatment Techniques 3.2 Uncertainties in Proton Therapy 4 Principles of Stopping-Power Prediction from Computed Tomography 4.1 Single-Energy Computed Tomography 4.2 Dual-Energy Computed Tomography 5 Experimental Calibration of Stopping-Power Prediction 5.1 Scan Protocol Optimisation in Computed Tomography 5.2 Characterisation of Pseudo-Monoenergetic CT Calculation 5.3 Determination of Proton Stopping Power 5.4 Calibration of Stopping-Power Prediction Methods 6 Experimental Verification of Stopping-Power Prediction 6.1 Anthropomorphic Head Phantom 6.2 Homogeneous Biological Tissue Samples 7 Clinical Translation and Validation of Dual-Energy Computed Tomography 7.1 Feasibility of Dual-Spiral Dual-Energy CT 7.2 Range Prediction in Cerebral and Pelvic Tumour Patients 7.3 Tissue Variability in Brain-Tumour Patients 7.4 Feasibility of 4D Dual-Spiral Dual-Energy CT 7.5 DECT-Based Refinement of the Hounsfield Look-Up Table 8 Summary 9 Zusammenfassung