This dissertation addresses the issue of robustness in proton therapy treatment planning for cancer treatment. Proton therapy is considered to be advantageous in treating most childhood cancers and certain adult cancers, including those of the skull base, spine and head and neck. Protons, unlike X-rays, have a finite range highly dependent on the electron density of the material they are traversing, resulting in a steep dose gradient at the distal edge of the Bragg peak. These characteristics, together with advancements in computation and technology have led to the ability to plan and deliver treatments with greater conformality, sparing normal tissue and organs at risk. Radiotherapy treatment plans aim to meet set dosimetric constraints, and meet them at every fraction. Plan robustness is a measure of deviation between the delivered dose distribution and the planned dose distribution. Due to the same characteristics that make protons advantageous, conventional means of using margins to create a Planning Target Volume (PTV) to ensure plan robustness are inadequate. Additional to this, without a PTV, a new method of analysing plan quality is required in proton therapy. My original contribution to the knowledge in this area is the demonstration of how site- and centre- specific robustness constraints can be established. Robustness constraints can be used both for proton plan analysis and to identify patients that require plans of greater individualisation. I have also used the daily volumetric imaging from patients previously treated with conventional radiotherapy to quantify range uncertainty from inter- and intra-fraction motion. These new methods of both quantifying and analysing the change in proton range in the patient can aid in the choice of beam directions, provide input into a multi- criteria optimisation algorithm or can be used as criteria to determine when adaptive planning may be required. This greater understanding in range uncertainty better informs the planner on how best to balance the trade-off between plan conformality and robustness in proton therapy. This research is directly relevant to furthering the knowledge base in light of HM Government pledging £250 million to build two proton centres in England, to treat NHS patients from 2018. Use of methods described in this dissertation will aid in the establishment of clear and pre-defined protocols for treating patients in the future.

This study aimed to investigate the impact of uncertainties in treatment planning related to the setup and range uncertainties. Three locations of targets were chosen, one in the head, one in the abdomen, and one in the pelvis. The treatment planning was assembled by utilising a CT image of a full body anthropomorphic phantom that was implemented into the treatment planning system RayStation (version 10, RaySearch Laboratories AB). A total of five regions of interest for the target were delineated as well as the associated organs at risks. The initial treatment plan considered the objective functions that aimed to achieve coverage of the CTV according to the clinical goal whilst minimising the dose reviewed by the organs at risk. In order to take the uncertainties into account for the treatment plan robustness optimization was applied with a predetermined set of setup and range uncertainties for each target. Dose histograms for the different cases of setup and range uncertainties were used to evaluate the significance of setup and range uncertainties onto the targets and the organs at risk. In addition, dose volume histograms and the difference in dose distribution aided to visualise the greatest deviation between the different cases. For the targets located in the head the small structures and the tissue heterogeneity resulted in being more affected by the range uncertainty rather than the setup uncertainty. The targets located in the abdomen and pelvic were on the other hand more affected by the setup uncertainties. This was a result related to structures adjacent to the target with different dose constraints and tissue heterogeneities. A comparison of the dose distribution showed the effect of setup uncertainties in the two aforementioned regions. For all cases the target coverage with the robust optimisation was as expected achieved. / Syftet med denna studie var att undersöka påverkan av osäkerheterna för protonernas utbredning och patienternas positionering med avseende på planeringen av en behandlingsplan. Totalt valdes tre områden som valdes att fokusera på var av två tumörer som var placerade i huvudet, en tumör som var placerad i abdomen och en tumör som var placerad i pelvis. Behandlingsplanen konstruerades med hjälp av en CT bild för en antropomorf helkropps fantom som överfördes till behandlingsteamet RayStation (version 10, RaySearch Laboratories AB). Samtliga tumörer och relevanta organ som anses vara i riskzonen för strålning fick definierade konturer. Därefter infördes funktioner för att optimera strålning till tumörer och funktioner för att begränsa strålningen till organen som var placerade i riskzonen enligt de kliniska önskemålen. För att beakta de ingående osäkerheterna i behandlingsplanen användes optimeringsalgoritmer för att säkerhetsställa att behandlingsplanen var robust gentemot ett antal förbestämda värde på de angivna osäkerheterna. Resultaten för osäkerheterna påverkas redovisades med histograms som påvisade den erhållna dosen för tumörer respektive organ i riskzonen. Utöver histogrammen redovisades differens mellan olika tillstånd av osäkerheterna med avseende på fördelning av dos. Tumörer som var placerade i huvudet hade större påverkan av protonernas utbredning på grund av de strukturer som är små till storlek relativt tumören, men även på grund av den heterogena omgivningen i det området. Däremot var tumörer som var placerade i abdomen och i pelvis mer påverkade av patientens position. Detta på grund av att närliggande organ och strukturer hade en diskrepans i de begränsade dosnivåerna samt på grund av heterogena omgivningar. Dessa fenomen påvisades även i de jämförelser som gjordes med avseende på fördelning av dos mellan olika tillstånd av osäkerheter. Slutligen visade denna studie att robust optimering gav samtliga tumörer en dosfördelning, vilket stämmer överens med vad som var förväntat.

The need for 3D-data has increased in the modern society. The data is used in many applications such as terrain models, documentation of buildings and infrastructure and can also be used for restauration or when monitoring deformations. Laser ranging is an important source to collect this type of information. Technical development has contributed with smaller and cheaper units and increased performance. Leica BLK360 was released in 2016 and is an example of this technological upraise. Since the model is new, it is interesting to investigate its performance. The goal of the study was to evaluate the performance of the length measurements by performing indirect measurements, as well as to investigate the range noise. These tests were performed at targets at different range indoors. The study took place at the lab facility at Heimdall at the University of Gävle. The method that was used, was to perform indirect measurements with targets on a line. The targets were placed with approximately 10 m in between. The results of scanned parallel targets were measured, it shows uncertainty that is smallest at 30 m (just over 2 mm) and highest at 40 m (over 5 mm). No statistical differences could be confirmed in this data. When non parallel targets was measured, the calculated uncertainty differences were 2–3 mm at 20–40 m (0° scanning angle). Low uncertainty was measured at 0° scanning angle, at higher angles uncertainties are increased. Differences could only be statistically confirmed on 40 m 45° and 10 m 0°. A conclusion from the investigation is that the measured uncertainties would be larger than if direct measurements was made. The results in this study based off indirect measurements, could not be compared to results made by direct measurements. The uncertainties would however be smaller in this type of study. When investigated the range noise it showed close to a linear curve in different scanning angles, when studying distance at 0–30 m except the target at 10 m. Statistically significant differences could be found for most measurements of range noise. The range noise is not specified in the user manual. The scanner works well at scanning indoor spaces, the low density point cloud at far range could be a limiting factor in some situations. / Behovet av 3-D data är stort i dagens samhälle. Det kan användas till att göra terrängmodeller, vid dokumentation av byggnader och anläggningar för renovering eller mätning av deformation etc. Laserskanning är ett viktigt sätt att samla in den typen av information. Teknisk utveckling har bidragit starkt till att förbättra prestanda, bidra till lägre vikt för enheterna och sänka kostnaderna för denna typ av utrustning. Leica BLK360 är en skanner som lanserades 2016 och är en tydlig representant för denna utveckling. Då skannern är ny finns intresse att undersöka dess prestanda, vilket görs i detta arbete. Målet med studien var att bedöma mätosäkerhet mot signaltavlor bestående av svagt gråtonade skivor på vissa givna avstånd, vilket kom att ske i inomhusmiljö. Dessa mätningar gjordes med indirekt längdmätning och slutsatser kring resultatens giltighet vid direkt längdmätning drogs. En bedömning gjordes också av avståndsbrusets storlek vid olika infallsvinklar. Arbetet syftade till att uppnå målen genom tester som utfördes i laborationshallen Heimdall på Högskolan i Gävle (HIG). Längdmätningsosäkerheter beräknades genom RMS-värden och resultatet för mätningar vid parallella plan visar att skillnader mot referensavstånd är lägst vid 30 m (drygt 2 mm) och det högsta värdet på signalen vid 40 m (drygt 5 mm). Generellt var det statistiska underlaget inte tillräckligt stort för att dra slutsatser kring skillnaderna i dessa längdmätningar. För motsvarande bedömning vid icke-parallella plan visade resultaten 2–3 mm vid 0° för längder på 20–40 m. Vid större infallsvinklar ökade sedan mätosäkerheten. Från de flesta av mätningarna kunde inte statistisk skillnad säkerställas på grund av liten mätserie, det kunde främst konstateras skillnad mellan värdet på 40 m 45° samt 10 m 0°. En slutsats som drogs är att de osäkerheter som uppmättes kunde anses större än om direkt längdmätning hade använts. Vid undersökning av avståndsbrusets storlek upptäcktes en förhållandevis linjär utveckling vid de olika infallsvinklarna, om bedömning enbart görs vid 0–30 m. Vid dessa mätningar kunde statistiska säkerställda skillnader konstateras i mycket hög omfattning. Skannern fungerar bra vid skanning inomhus, något som kan upplevas som en begränsning är ett förhållandevist glest punktmoln på längre avstånd, särskilt vid större infallsvinklar

L'étalonnage de l’image tomodensitométrique X en pouvoirs d’arrêt relatif est source d'incertitudes pour la planification du traitement en protontherapie. L’imagerie proton permettrait d’obtenir directement les pouvoirs d’arrêt ou les épaisseurs équivalent-eau tout en maîtrisant les incertitudes sur la planification du traitement. Ce travail vise à caractériser et optimiser les performances du système de tomographie proton proposé dans le cadre d’une nouvelle approche faisceau à faisceau, composé d’un trajectographe et d’un range meter. La position et la largeur du faisceau obtenues avec le trajectographe ainsi que la modélisation matricielle de la réponse du range meter par simulation Monte Carlo combinée à la déconvolution de la courbe de Bragg résiduelle ont permis de reconstruire l’épaisseur équivalent-eau traversée pour chaque faisceau. L’évaluation de la qualité des images a permis de montrer que la méthode de déconvolution permettait d’obtenir des images dépourvues d’artefacts et d’estimer le parcours du proton avec une précision de l’ordre de 0,7%. Le travail présenté dans cette thèse démontre la faisabilité d’un tel système d’imagerie. / Calibration of computed tomography image in relative stopping power is a source of uncertainties for the proton therapy treatment planning. Proton imaging could directly obtain stopping powers or equivalent water thicknesses and control uncertainties in the treatment planning. In the context of a new pencil beam approach, this work aims to characterize and optimize the performances of a proton tomography system consisting of a tracker and a range meter. Beam position and width obtained with the tracker and the range meter response matrix modelling by Monte Carlo simulation combined with the unfolding method of the residual Bragg curve enable to reconstruct the water equivalent thickness for each beam. The evaluation of the reconstructed images quality shows that images are artefact free and the proton range is estimated with 0.7% of accurancy by using the unfolding method. This thesis demonstrates the feasibility of such an imaging system.