Unsicherheiten in der Reichweitevorhersage limitieren wesentlich das Ausnutzen der Vorteile von Protonentherapie gegenüber konventioneller Strahlentherapie. Die Verwendung von Zwei-Spektren-Computertomographie (DECT) zur direkten Vorhersage des Bremsvermögen (DirectSPR) ermöglicht eine relevante Verbesserung der Reichweitevorhersage gegenüber der üblicherweise verwendeten Ein-Spektren-Computertomographie (SECT). Im Rahmen dieser Dissertation wurde die Variation in der Reichweitevorhersage zwischen 17 europäischen Partikeltherapiezentren experimentell verglichen. Die Genauigkeit der Reichweitevorhersage bei Verwendung einer DirectSPR-Implementierung wurde umfassend quantifiziert und die Implementierung in die klinische Routine integriert. Dies führte zu einer Reduzierung des klinischen Sicherheitssaum um ca. 35% für die Behandlung von quasistatischen Tumoren in Kopf und Becken und damit einer Schonung des Normalgewebes sowie der das Zielgebiet umgebenden Risikoorgane. Darüber hinaus wurde die DirectSPR-Implementierung zur Bestimmung von Gewebeparametern sowie deren Variabilität für zehn Organe im Kopf und Becken in einer Patienkohorte genutzt. Die vorgestellten Ergebnisse etablieren DECT weiter als zukünftiges Standard-Bildgebungsverfahren in der Partikeltherapie.:1. Introduction 2. Proton therapy 2.1. Physical principles of proton therapy 2.2. Treatment with protons 2.3. Accuracy in proton therapy 3. CT Imaging for proton therapy 3.1. Principles of CT imaging 3.2. CT-based range prediction 3.3. Investigated phantoms and materials 3.4. DECT scan acquisition 3.5. Determination of proton stopping power for reference materials 4. Accuracy of stopping-power prediction in European proton centres 4.1. Study design 4.2. Experimental setup and analysis 4.3. Results 4.4. Discussion of determined deviations 4.5. Conclusion and outlook 4.6. Establishment of guidelines for HLUT calibration 5. Range uncertainties in DirectSPR-based treatment planning 5.1. Clinical implementation of DirectSPR 5.2. Uncertainty quantification 5.3. Resulting uncertainties in SPR prediction 5.4. Experimental validation 5.5. Dosimetric effect of range uncertainty reduction 5.6. Discussion 6. In-vivo tissue characterisation using DirectSPR 6.1. Tissue parameter determination by Woodard and White 6.2. Data preparation and analysis 6.3. Determined tissue parameters and variations 6.4. Discussion 7. The future of image-based range prediction 7.1. Particle imaging 7.2. Creation of synthetic CT images 7.3. Photon-counting computed tomography 8. Summary 9. Zusammenfassung A. Supplement A.1. Investigated materials A.2. EPTN study: Individual results A.3. DirectSPR validation results / Imaging-related range uncertainties effectively limit the full exploitation of the benefits proton therapy offers with respect to conventional photon radiotherapy. The use of dual-energy computed tomography (DECT) for direct stopping-power prediction (DirectSPR) was determined to provide relevant improvements in range prediction over commonly used singleenergy CT (SECT). Within this thesis, the variation in range prediction accuracy between 17 European particle treatment centres were experimentally quantified to determine the current status quo in the community. The overall range uncertainty when using a DirectSPR implementation in treatment planning was comprehensively quantified and the implementation integrated into the clinical workflow. This led to a reduction of clinical safety margins by about 35% for the treatment of quasi-static tumours in the head and pelvis, effectively reducing the dose to surrounding healthy tissue and organs at risk. The DirectSPR implementation was furthermore utilised to assess tissue parameters and their inter- and intra-patient variability for ten organs in the head and pelvis from a cohort of patients. The presented results further establish DirectSPR as the future standard imaging modality in particle therapy.:1. Introduction 2. Proton therapy 2.1. Physical principles of proton therapy 2.2. Treatment with protons 2.3. Accuracy in proton therapy 3. CT Imaging for proton therapy 3.1. Principles of CT imaging 3.2. CT-based range prediction 3.3. Investigated phantoms and materials 3.4. DECT scan acquisition 3.5. Determination of proton stopping power for reference materials 4. Accuracy of stopping-power prediction in European proton centres 4.1. Study design 4.2. Experimental setup and analysis 4.3. Results 4.4. Discussion of determined deviations 4.5. Conclusion and outlook 4.6. Establishment of guidelines for HLUT calibration 5. Range uncertainties in DirectSPR-based treatment planning 5.1. Clinical implementation of DirectSPR 5.2. Uncertainty quantification 5.3. Resulting uncertainties in SPR prediction 5.4. Experimental validation 5.5. Dosimetric effect of range uncertainty reduction 5.6. Discussion 6. In-vivo tissue characterisation using DirectSPR 6.1. Tissue parameter determination by Woodard and White 6.2. Data preparation and analysis 6.3. Determined tissue parameters and variations 6.4. Discussion 7. The future of image-based range prediction 7.1. Particle imaging 7.2. Creation of synthetic CT images 7.3. Photon-counting computed tomography 8. Summary 9. Zusammenfassung A. Supplement A.1. Investigated materials A.2. EPTN study: Individual results A.3. DirectSPR validation results

Proton beam therapy shows dosimetric advantages in terms of sparing healthy tissue compared to conventional photon radiotherapy. Those patients who are supposed to experience the greatest reduction in side effects should preferably be treated with proton beam therapy. One option for this patient selection is the model-based approach. Its feasibility in patients with intracranial tumours is investigated in this thesis. First, normal tissue complication probability models for early and late side effects were developed and validated in external cohorts based on data of patients treated with proton beam therapy. Acute erythema as well as acute and late alopecia were associated with high-dose parameters of the skin. Late mild hearing loss was related to the mean dose of the ipsilateral cochlea. Second, neurocognitive function as a relevant side effect for brain tumour patients was investigated in detail using subjective and objective measures. It remained largely stable during recurrence-free follow-up until two years after proton beam therapy. Finally, potential toxicity differences were evaluated based on an individual proton and photon treatment plan comparison as well as on models predicting various side effects. Although proton beam therapy was able to achieve a high relative reduction of dose exposure in contralateral organs at risk, the associated reduction of side effect probabilities was less pronounced. Using a model-based selection procedure, the majority of the examined patients would have been eligible for proton beam therapy, mainly due to the predictions of a model on neurocognitive function.:1. Introduction 2. Theoretical background 2.1 Treatment strategies for tumours in the brain and skull base 2.1.1 Gliomas 2.1.2 Meningiomas 2.1.3 Pituitary adenomas 2.1.4 Tumours of the skull base 2.1.5 Role of proton beam therapy 2.2 Radiotherapy with photons and protons 2.2.1 Biological effect of radiation 2.2.2 Basic physical principles of radiotherapy 2.2.3 Field formation in radiotherapy 2.2.4 Target definition and delineation of organs at risk 2.2.5 Treatment plan assessment 2.3 Patient outcome 2.3.1 Scoring of side effects 2.3.2 Patient-reported outcome measures – Quality of life 2.3.3 Measures of neurocognitive function 2.4 Normal tissue complication probability models 2.4.1 Types of NTCP models 2.4.2 Endpoint definition and parameter fitting 2.4.3 Assessment of model performance 2.4.4 Model validation 2.5 Model-based approach for patient selection for proton beam therapy 2.5.1 Limits of randomised controlled trials 2.5.2 Principles of the model-based approach 3. Investigated patient cohorts 4. Modelling of side effects following cranial proton beam therapy 4.1 Experimental design for modelling early and late side effects 4.2 Modelling of early side effects 4.2.1 Results 4.2.2 Discussion 4.3 Modelling of late side effects 4.3.1 Results 4.3.2 Discussion 4.4 Interobserver variability of alopecia and erythema assessment 4.4.1 Patient cohort and experimental design 4.4.2 Results 4.4.3 Discussion 4.5 Summary 5. Assessing the neurocognitive function following cranial proton beam therapy 5.1 Patient cohort and experimental design 5.2 Results 5.2.1 Performance at baseline 5.2.2 Correlation between subjective and objective measures 5.2.3 Time-dependent score analyses 5.3 Discussion and conclusion 5.4 Summary 6. Treatment plan and NTCP comparison for patients with intracranial tumours 6.1 Motivation 6.2 Treatment plan comparison of cranial proton and photon radiotherapy 6.2.1 Patient cohort and experimental design 6.2.2 Results 6.2.3 Discussion 6.3 Application of NTCP models 6.3.1 Patient cohort and experimental design 6.3.2 Results 6.3.3 Discussion 6.4 Summary 7. Conclusion and further perspectives 8. Zusammenfassung 9. Summary

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Background: The irradiation of cancer patients with charged particles, mainly protons and carbon ions, has become an established method for the treatment of specific types of tumors. In comparison with the use of X-rays or gamma-rays, particle therapy has the advantage that the dose distribution in the patient can be precisely controlled. Tissue or organs lying near the tumor will be spared. A verification of the treatment plan with the actual dose deposition by means of a measurement can be done through range assessment of the particle beam. For this purpose, prompt gamma-rays are detected, which are emitted by the affected target volume during irradiation. Motivation: The detection of prompt gamma-rays is a task related to radiation detection and measurement. Nuclear applications in medicine can be found in particular for in vivo diagnosis. In that respect the spatially resolved measurement of gamma-rays is an essential technique for nuclear imaging, however, technical requirements of radiation measurement during particle therapy are much more challenging than those of classical applications. For this purpose, appropriate instruments beyond the state-of-the-art need to be developed and tested for detecting prompt gamma-rays. Hence the success of a method for range assessment of particle beams is largely determined by the implementation of electronics. In practice, this means that a suitable detector material with adapted readout electronics, signal and information processing, and data interface must be utilized to solve the challenges. Thus, the parameters of the system (e.g. segmentation, time or energy resolution) can be optimized depending on the method (e.g. slit camera, time-of-flight measurement or Compton camera). Regardless of the method, the detector system must have a high count rate capability and a large measuring range (>7 MeV). For a subsequent evaluation of a suitable method for imaging, the mentioned parameters may not be restricted by the electronics. Digital signal processing is predestined for multipurpose tasks, and, in terms of the demands made, the performance of such an implementation has to be determined. Materials and methods: In this study, the instrumentation of a detector system for prompt gamma-rays emitted during particle therapy is limited to the use of a cadmium zinc telluride (CdZnTe, CZT) semiconductor detector. The detector crystal is divided into an 8x8 pixel array by segmented electrodes. Analog and digital signal processing are exemplarily tested with this type of detector and aims for application of a Compton camera to range assessment. The electronics are implemented with commercial off-the-shelf (COTS) components. If applicable, functional units of the detector system were digitalized and implemented in a field-programmable gate array (FPGA). An efficient implementation of the algorithms in terms of timing and logic utilization is fundamental to the design of digital circuits. The measurement system is characterized with radioactive sources to determine the measurement dynamic range and resolution. Finally, the performance is examined in terms of the requirements of particle therapy with experiments at particle accelerators. Results: A detector system based on a CZT pixel detector has been developed and tested. Although the use of an application-specific integrated circuit is convenient, this approach was rejected because there was no circuit available which met the requirements. Instead, a multichannel, compact, and low-noise analog amplifier circuit with COTS components has been implemented. Finally, the 65 information channels of a detector are digitized, processed and visualized. An advanced digital signal processing transforms the traditional approaches of nuclear electronics in algorithms and digital filter structures for an FPGA. With regard to the characteristic signals (e.g. varying rise times, depth-dependent energy measurement) of a CZT pixel detector, it could be shown that digital pulse processing results in a very good energy resolution (~2% FWHM at 511 keV), as well as permits a time measurement in the range of some tens of nanoseconds. Furthermore, the experimental results have shown that the dynamic range of the detector system could be significantly improved compared to the existing prototype of the Compton camera (~10 keV..7 MeV). Even count rates of ~100 kcps in a high-energy beam could be ultimately processed with the CZT pixel detector. But this is merely a limit of the detector due to its volume, and not related to electronics. In addition, the versatility of digital signal processing has been demonstrated with other detector materials (e.g. CeBr3). With foresight on high data throughput in a distributed data acquisition from multiple detectors, a Gigabit Ethernet link has been implemented as data interface. Conclusions: To fully exploit the capabilities of a CZT pixel detector, a digital signal processing is absolutely necessary. A decisive advantage of the digital approach is the ease of use in a multichannel system. Thus with digitalization, a necessary step has been done to master the complexity of a Compton camera. Furthermore, the benchmark of technology shows that a CZT pixel detector withstands the requirements of measuring prompt gamma-rays during particle therapy. The previously used orthogonal strip detector must be replaced by the pixel detector in favor of increased efficiency and improved energy resolution. With the integration of the developed digital detector system into a Compton camera, it must be ultimately proven whether this method is applicable for range assessment in particle therapy. Even if another method is more convenient in a clinical environment due to practical considerations, the detector system of that method may benefit from the shown instrumentation of a digital signal processing system for nuclear applications. / Hintergrund: Die Bestrahlung von Krebspatienten mit geladenen Teilchen, vor allem Protonen oder Kohlenstoffionen, ist mittlerweile eine etablierte Methode zur Behandlung von speziellen Tumorarten. Im Vergleich mit der Anwendung von Röntgen- oder Gammastrahlen hat die Teilchentherapie den Vorteil, dass die Dosisverteilung im Patienten präziser gesteuert werden kann. Dadurch werden um den Tumor liegendes Gewebe oder Organe geschont. Die messtechnische Verifikation des Bestrahlungsplans mit der tatsächlichen Dosisdeposition kann über eine Reichweitenkontrolle des Teilchenstrahls erfolgen. Für diesen Zweck werden prompte Gammastrahlen detektiert, die während der Bestrahlung vom getroffenen Zielvolumen emittiert werden. Fragestellung: Die Detektion von prompten Gammastrahlen ist eine Aufgabenstellung der Strahlenmesstechnik. Strahlenanwendungen in der Medizintechnik finden sich insbesondere in der in-vivo Diagnostik. Dabei ist die räumlich aufgelöste Messung von Gammastrahlen bereits zentraler Bestandteil der nuklearmedizinischen Bildgebung, jedoch sind die technischen Anforderungen der Strahlendetektion während der Teilchentherapie im Vergleich mit klassischen Anwendungen weitaus anspruchsvoller. Über den Stand der Technik hinaus müssen für diesen Zweck geeignete Instrumente zur Erfassung der prompten Gammastrahlen entwickelt und erprobt werden. Die elektrotechnische Realisierung bestimmt maßgeblich den Erfolg eines Verfahrens zur Reichweitenkontrolle von Teilchenstrahlen. Konkret bedeutet dies, dass ein geeignetes Detektormaterial mit angepasster Ausleseelektronik, Signal- und Informationsverarbeitung sowie Datenschnittstelle zur Problemlösung eingesetzt werden muss. Damit können die Parameter des Systems (z. B. Segmentierung, Zeit- oder Energieauflösung) in Abhängigkeit der Methode (z.B. Schlitzkamera, Flugzeitmessung oder Compton-Kamera) optimiert werden. Unabhängig vom Verfahren muss das Detektorsystem eine hohe Ratenfestigkeit und einen großen Messbereich (>7 MeV) besitzen. Für die anschließende Evaluierung eines geeigneten Verfahrens zur Bildgebung dürfen die genannten Parameter durch die Elektronik nicht eingeschränkt werden. Eine digitale Signalverarbeitung ist für universelle Aufgaben prädestiniert und die Leistungsfähigkeit einer solchen Implementierung soll hinsichtlich der gestellten Anforderungen bestimmt werden. Material und Methode: Die Instrumentierung eines Detektorsystems für prompte Gammastrahlen beschränkt sich in dieser Arbeit auf die Anwendung eines Cadmiumzinktellurid (CdZnTe, CZT) Halbleiterdetektors. Der Detektorkristall ist durch segmentierte Elektroden in ein 8x8 Pixelarray geteilt. Die analoge und digitale Signalverarbeitung wird beispielhaft mit diesem Detektortyp erprobt und zielt auf die Anwendung zur Reichweitenkontrolle mit einer Compton-Kamera. Die Elektronik wird mit seriengefertigten integrierten Schaltkreisen umgesetzt. Soweit möglich, werden die Funktionseinheiten des Detektorsystems digitalisiert und in einem field-programmable gate array (FPGA) implementiert. Eine effiziente Umsetzung der Algorithmen in Bezug auf Zeitverhalten und Logikverbrauch ist grundlegend für den Entwurf der digitalen Schaltungen. Das Messsystem wird mit radioaktiven Prüfstrahlern hinsichtlich Messbereichsdynamik und Auflösung charakterisiert. Schließlich wird die Leistungsfähigkeit hinsichtlich der Anforderungen der Teilchentherapie mit Experimenten am Teilchenbeschleuniger untersucht. Ergebnisse: Es wurde ein Detektorsystem auf Basis von CZT Pixeldetektoren entwickelt und erprobt. Obwohl der Einsatz einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung zweckmäßig wäre, wurde dieser Ansatz zurückgewiesen, da kein verfügbarer Schaltkreis die Anforderungen erfüllte. Stattdessen wurde eine vielkanalige, kompakte und rauscharme analoge Verstärkerschaltung mit seriengefertigten integrierten Schaltkreisen aufgebaut. Letztendlich werden die 65 Informationskanäle eines Detektors digitalisiert, verarbeitet und visualisiert. Eine fortschrittliche digitale Signalverarbeitung überführt die traditionellen Ansätze der Nuklearelektronik in Algorithmen und digitale Filterstrukturen für einen FPGA. Es konnte gezeigt werden, dass die digitale Pulsverarbeitung in Bezug auf die charakteristischen Signale (u.a. variierende Anstiegszeiten, tiefenabhängige Energiemessung) eines CZT Pixeldetektors eine sehr gute Energieauflösung (~2% FWHM at 511 keV) sowie eine Zeitmessung im Bereich von einigen 10 ns ermöglicht. Weiterhin haben die experimentellen Ergebnisse gezeigt, dass der Dynamikbereich des Detektorsystems im Vergleich zum bestehenden Prototyp der Compton-Kamera deutlich verbessert werden konnte (~10 keV..7 MeV). Nach allem konnten auch Zählraten von >100 kcps in einem hochenergetischen Strahl mit dem CZT Pixeldetektor verarbeitet werden. Dies stellt aber lediglich eine Begrenzung des Detektors aufgrund seines Volumens, nicht jedoch der Elektronik, dar. Zudem wurde die Vielseitigkeit der digitalen Signalverarbeitung auch mit anderen Detektormaterialen (u.a. CeBr3) demonstriert. Mit Voraussicht auf einen hohen Datendurchsatz in einer verteilten Datenerfassung von mehreren Detektoren, wurde als Datenschnittstelle eine Gigabit Ethernet Verbindung implementiert. Schlussfolgerung: Um die Leistungsfähigkeit eines CZT Pixeldetektors vollständig auszunutzen, ist eine digitale Signalverarbeitung zwingend notwendig. Ein entscheidender Vorteil des digitalen Ansatzes ist die einfache Handhabbarkeit in einem vielkanaligen System. Mit der Digitalisierung wurde ein notwendiger Schritt getan, um die Komplexität einer Compton-Kamera beherrschbar zu machen. Weiterhin zeigt die Technologiebewertung, dass ein CZT Pixeldetektor den Anforderungen der Teilchentherapie für die Messung prompter Gammastrahlen stand hält. Der bisher eingesetzte Streifendetektor muss zugunsten einer gesteigerten Effizienz und verbesserter Energieauflösung durch den Pixeldetektor ersetzt werden. Mit der Integration des entwickelten digitalen Detektorsystems in eine Compton-Kamera muss abschließend geprüft werden, ob dieses Verfahren für die Reichweitenkontrolle in der Teilchentherapie anwendbar ist. Auch wenn sich herausstellt, dass ein anderes Verfahren unter klinischen Bedingungen praktikabler ist, so kann auch dieses Detektorsystem von der gezeigten Instrumentierung eines digitalen Signalverarbeitungssystems profitieren.

Protonentherapie ist eine wichtige Behandlungsmodalität in der Radioonkologie. Aufgrund einer vorteilhaften Dosisverteilung im bestrahlten Volumen kann diese Bestrahlungsmethode das tumorumgebende Normalgewebe schützen. Dadurch können Nebenwirkungen in bestimmten Patientenpopulationen, zum Beispiel Kindern oder Patienten mit Gehirntumoren, verringert werden. Trotzdem können nach Protonenbestrahlung von Gehirntumorpatienten Normalgewebsschäden auftreten. Gründe dafür können der notwendige klinische Sicherheitssaum im Normalgewebe, der Einfluss der relativen biologischen Wirksamkeit RBE sowie eine erhöhte Strahlensensitivität bestimmter Gehirnregionen sein. Um diese Aspekte zu beleuchten, werden geeignete präklinische Modelle für die Normalgewebsreaktion im Gehirn nach Protonenbestrahlung benötigt. Darüber hinaus kann eine Risikostratifizierung der Patienten durch die Vorhersage von Nebenwirkungswahrscheinlichkeiten oder der Tumorantwort den Behandlungserfolg erhöhen. Auch hier können präklinische Modelle helfen, um neue prädiktive Biomarker zu finden und um die zugrunde liegenden Mechanismen strahleninduzierter Gehirnschäden besser zu verstehen. Das Ziel dieser Dissertation war die Etablierung und Charakterisierung von adäquaten präklinischen Modellen für die Untersuchung von strahleninduzierten Normalgewebsschäden im Gehirn. Diese Modelle bilden die Grundlage für zukünftige Studien zur Untersuchung von RBE Effekten, der spezifische Strahlensensitivität einzelner Gehirnregionen und neuer Biomarker. Die getesteten Modellsysteme waren in vitro Kulturen von adulten organotypischen Gehirnschnitten, Tumorschnittkultur sowie in vivo Bestrahlung von Gehirnsubvolumina, jeweils mit dem Modellorganismus Maus. Die Etablierung eines Bestrahlungssetups in der experimentellen Protonenanlage und dessen dosimetrische Charakterisierung waren von großer Bedeutung für die Durchführung der biologischen Experimente. Ein weiteres Hauptziel war die Definition klinisch relevanter Endpunkte für frühe und späte Nebenwirkungen. Die Gewebsschnitte wurden durch Messungen des Zellüberlebens und der Entzündungsreaktion, sowie mittels in situ Analyse von Zellmorphologie und DNA Schäden untersucht. Als ergänzendes Modell wurde die Tumorschnittkultur etabliert und ähnliche Endpunkte analysiert. Adulte Gehirnschnitte stellten sich als ungeeignet für präklinische Experimente in der Radioonkologie heraus. Die Messungen von Zelltod und Entzündungswerten zeigten eine starke Zellreaktion auf die Inkulturnahme, aber keine auf die Protonenbestrahlung. In der Histologie wurden gestörte Zellmorphologie, reduzierte Vitalität und eingeschränkte Reparaturfähigkeit von DNA Schäden beobachtet. Daher sollten für strahlenbiologische Experimente andere 3D Zellkulturmodelle in Betracht gezogen werden, wie zum Beispiel Organoide oder durch Tissue Engineering hergestellte Kulturen. Durch die Publikation der Daten leistet diese Dissertation einen wichtigen Beitrag zur aktuellen Forschung, da so künftig die limitierten Ressourcen, die für strahlenbiologische Experimente mit Protonen zur Verfügung stehen, auf relevantere Modelle verwendet werden können. Die Bestrahlung von Gehirnsubvolumina in Mäusen wurde mit dem Ziel etabliert, klinisch vergleichbare Felder zu erreichen. Das gewählte Zielvolumen war der rechte Hippocampus; der Protonenstrahl sollte in der Mitte des Gehirns stoppen. Im Rahmen des Projekts wurde ein Arbeitsablauf für präzise und reproduzierbare Bestrahlung entwickelt. Zur Verifizierung wurde der induzierte DNA Schaden ausgewertet und anschließend mit Monte-Carlos Dosissimulationen korreliert. Die Maushirnbestrahlung lieferte wertvolle Ergebnisse für frühe Zeitpunkte (d.h. innerhalb 24 h nach Bestrahlung). Im Verlauf des Projekts wurde ein Algorithmus erstellt, der schnell und zuverlässig die räumliche Verteilung des DNA Schadens in Relation zur Gesamtzellzahl analysiert. Diese Auswertung zeigte, wie bei der Bestrahlungsplanung vorgesehen, ein Stoppen des Protonenstrahls im Gehirn. Eine anschließende Korrelation der Schadensverteilung mit der applizierten Dosis weist nach, dass das Modell einen wichtigen Beitrag zur Untersuchung des RBE leisten kann. In einer darauf folgenden Studie wurde der Dosis-Zeitverlauf der beobachteten Strahlenreaktion des Normalgewebes genauer beleuchtet. Dafür wurden Untersuchungen des Allgemeinzustands der Versuchstiere, regelmäßige Magnetresonanztomografie (MRI) Messungen über einen Zeitraum von sechs Monaten, sowie abschließende Histologie korreliert. Die Volumenzunahme des Kontrastmittelaustritts, die den Zusammenbruch der Blut-Hirn-Schranke anzeigt, wurde konturiert; aus diesen Daten entstand ein prädiktives Dosis-Volumen Modell. Die Pilotstudie konnte eine dosisabhängige Strahlenreaktion nachweisen, die sich im Zusammenbruch der Blut-Hirn-Schranke, einer Hautreaktion mit vorrübergehender Alopezie, Gewichtsabnahme und zelluläre Veränderung äußerte. Das von den MRI Messungen abgeleitete Modell konnte zuverlässig das Eintreten der Nebenwirkungen, den Krankheitsverlauf, sowie die geschätzte Überlebensdauer der Mäuse vorhersagen. Zusätzlich konnte ein Zusammenhang zwischen den MRI Bildänderungen und den pathologischen Gewebsveränderungen beobachtet werden. Durch die außerordentlich homogene Strahlenreaktion der Tiere können aus den vorliegenden Daten künftig zuverlässig geeignete Dosen für spezifische experimentelle Endpunkte bestimmt werden. Zusammenfassend wurden in dieser Arbeit zwei präklinische Modelle für die Protonengehirnbestrahlung etabliert, nämlich organotypische Gewebsschnitte als 3D Zellkulturmodell sowie in vivo Bestrahlung von Gehirnsubvolumina in Mäusen. Während Zellkulturexperimente die Erwartungen nicht erfüllen konnten, stellen sich die Tierexperimente als hervorragendes Modell für translationale Radioonkologie heraus, welches zusätzlich für andere Strahlenqualitäten eingesetzt werden kann. Darauf basierend können aktuelle und zukünftige Studien die Ursachen von strahleninduzierten Normalgewebsschäden im Gehirn beleuchten, RBE Effekte untersuchen und neue prädiktive Biomarker erforschen.:Contents Abstract i Zusammenfassung v Publications ix List of Figures xiii List of Acronyms and Abbreviations xiv 1 Introduction 3 2 Background 5 2.1 Proton therapy for brain cancer treatment 5 2.1.1 Fundamentals of radiobiology 5 2.1.2 Proton therapy 6 2.1.3 Tumors of the central nervous system 8 2.2 Radiation effects on brain cells 8 2.2.1 Neurons and myelin 9 2.2.2 Blood-brain barrier 9 2.2.3 Astrocytes 10 2.2.4 Microglia 10 2.3 Principles of histology 11 2.3.1 Hematoxylin & eosin staining 12 2.3.2 Immunohistochemistry 13 2.3.3 Bioimage analysis 13 2.4 Techniques in medical imaging 14 2.4.1 Projectional radiography 14 2.4.2 Computed tomography 14 2.4.3 Magnetic resonance imaging 15 2.5 Preclinical models for radiation injury 17 2.5.1 Technical requirements 17 2.5.2 In vitro models 17 2.5.3 Small animal models 18 3 Applying Tissue Slice Culture in Cancer Research – Insights from Preclinical Proton Radiotherapy 19 3.1 Aim of the study 19 3.2 Conclusion 19 3.3 Author’s contribution 19 3.4 Publication 21 4 High-precision image-guided proton irradiation of mouse brain sub-volumes 41 4.1 Aim of the study 41 4.2 Conclusion 41 4.3 Author’s contribution 41 4.4 Publication 43 5 Late side effects in normal mouse brain tissue after proton irradiation 51 5.1 Aim of the study 51 5.2 Conclusion 51 5.3 Author’s contribution 52 5.4 Publication 53 6 Discussion 71 6.1 Establishment of preclinical models for radiooncology 71 6.1.1 3D cell culture 71 6.1.2 In vivo irradiation of brain subvolumes 73 6.2 Current applications of the mouse model 75 6.2.1 Ongoing data analysis 75 6.2.2 Innovating on-site imaging 76 6.2.3 RBE investigations 77 6.3 Future studies of radiation-induced brain tissue toxicities 79 Acknowledgement XV Supplementary Material XVII 1 Applying Tissue Slice Culture in Cancer Research – Insights from Preclinical Proton Radiotherapy XVII 2 High-precision image-guided proton irradiation of mouse brain sub-volumes XXVI 3 Late side effects in normal mouse brain tissue after proton irradiation XXXI / Proton therapy is an important modality in radiation oncology. Due to a favorable dose distribution in the irradiated volume, this treatment allows to spare tumor-surrounding normal tissue. Although this protection can lead to reduced side effects in certain patient populations, such as brain tumor or pediatric patients, normal tissue toxicities can occur to some extend. This could be due to clinical safety margins around the tumor that lead to dose deposition in the normal tissue. The underlying causes might also be related to relative biological effectiveness (RBE) variations or elevated radiosensitivity of certain brain regions. To address these issues, suitable preclinical models for normal brain tissue reaction after proton therapy are needed. In addition, patient stratification to predict the tumor response or the probability of side effects will contribute to increased treatment effectiveness. Preclinical models can improve the process of finding new predictive biomarkers and help to understand underlying mechanisms of radiation-induced brain injury. The aim of this thesis was to establish and characterize suitable preclinical models of brain tissue irradiation effects and set the base for future studies designed to reveal RBE effects, brain region specific radiation sensitivities, and novel biomarkers. The tested model systems were in vitro organotypic brain slice culture (OBSC) and in vivo irradiation of brain subvolumes, both on mouse brain tissue. Setup establishment at the experimental proton beam line and subsequent dosimetry built the foundation for conducting the biological experiments. Additionally, one main goal was defining clinically relevant endpoints for both short- and long-term effects. For OBSC, assays for cell death and inflammation, as well as in situ analysis of cell morphology and DNA damage induction were tested. As comparative model to OBSC, tumor slice culture was established and the results were also used for proton investigation. Adult OBSC turned out as inadequate model for preclinical experiments in radiation oncology. The assays measuring cell death and inflammation indicated a severe reaction during the first days in culture, but no response to irradiation. Histology revealed deficient cell morphology, reduced vitality and impaired DNA damage repair. In conclusion, other 3D cell culture models, such as organoids or tissue engineered constructs, should be considered for radiobiological experiments with protons. By publishing the observations, this thesis contributes to conserving the limited resources of proton radiobiology for more meaningful models. A methodology for irradiation of mouse brain subvolumes was established with a focus on creating fields comparable to clinical practice. The chosen target was the right hippocampus and the goal was to stop the proton beam in the middle of the brain. The project included a workflow for this precise irradiation in a robust and reproducible manner. Evaluation of the induced DNA damage and its correlation to Monte Carlo dose simulations were used for verification. Irradiation of mouse brain subvolumes yielded valuable results for early (i.e. within 24 h after irradiation) time points. An evaluation algorithm was designed for fast and robust analysis of spatial DNA damage distribution in relation to the total cell count. This ratio showed that the beam stopped in the brain tissue, in accordance to the treatment planning. Furthermore, the DNA damage could be reliably correlated with the dose simulation, which proves the value of the presented model for future RBE studies. In a follow-up experiment, the dose-time relationship of induced normal tissue reactions was analysed. For this, scoring of the animals' health status was combined with regular MRI measurements over the course of up to 6 months, and final histopathology. The volume increase of contrast agent leakage - representing breakdown of the blood brain barrier (BBB) - was contoured and the data was used to create a dose-volume response model. This pilot study on long-term radiation effects revealed dose-dependent normal tissue toxicities, including breakdown of the BBB, a skin reaction with temporary alopecia, weight reduction and changes on the cellular level. The model derived from MRI data reliably predicts onset of side effects, volume of brain damage as well as the expected animal survival. In addition, MRI image changes could be correlated to underlying tissue alterations by histopathology. Due to the uniform radiation response of the animals this data set enables to determine endpoint-specific dose values in future experiments. In conclusion, two preclinical models for proton brain irradiation were established, namely OBSC as 3D cell culture model and in vivo irradiation of mouse brain subvolumes. While the former could not yield the anticipated results, the latter emerged as excellent model for translational radiooncology, which can also be applied for experiments with other radiation types. Ongoing and future studies will focus on revealing the causes of normal brain tissue toxicities, studying RBE effects, and investigating new predictive biomarkers.:Contents Abstract i Zusammenfassung v Publications ix List of Figures xiii List of Acronyms and Abbreviations xiv 1 Introduction 3 2 Background 5 2.1 Proton therapy for brain cancer treatment 5 2.1.1 Fundamentals of radiobiology 5 2.1.2 Proton therapy 6 2.1.3 Tumors of the central nervous system 8 2.2 Radiation effects on brain cells 8 2.2.1 Neurons and myelin 9 2.2.2 Blood-brain barrier 9 2.2.3 Astrocytes 10 2.2.4 Microglia 10 2.3 Principles of histology 11 2.3.1 Hematoxylin & eosin staining 12 2.3.2 Immunohistochemistry 13 2.3.3 Bioimage analysis 13 2.4 Techniques in medical imaging 14 2.4.1 Projectional radiography 14 2.4.2 Computed tomography 14 2.4.3 Magnetic resonance imaging 15 2.5 Preclinical models for radiation injury 17 2.5.1 Technical requirements 17 2.5.2 In vitro models 17 2.5.3 Small animal models 18 3 Applying Tissue Slice Culture in Cancer Research – Insights from Preclinical Proton Radiotherapy 19 3.1 Aim of the study 19 3.2 Conclusion 19 3.3 Author’s contribution 19 3.4 Publication 21 4 High-precision image-guided proton irradiation of mouse brain sub-volumes 41 4.1 Aim of the study 41 4.2 Conclusion 41 4.3 Author’s contribution 41 4.4 Publication 43 5 Late side effects in normal mouse brain tissue after proton irradiation 51 5.1 Aim of the study 51 5.2 Conclusion 51 5.3 Author’s contribution 52 5.4 Publication 53 6 Discussion 71 6.1 Establishment of preclinical models for radiooncology 71 6.1.1 3D cell culture 71 6.1.2 In vivo irradiation of brain subvolumes 73 6.2 Current applications of the mouse model 75 6.2.1 Ongoing data analysis 75 6.2.2 Innovating on-site imaging 76 6.2.3 RBE investigations 77 6.3 Future studies of radiation-induced brain tissue toxicities 79 Acknowledgement XV Supplementary Material XVII 1 Applying Tissue Slice Culture in Cancer Research – Insights from Preclinical Proton Radiotherapy XVII 2 High-precision image-guided proton irradiation of mouse brain sub-volumes XXVI 3 Late side effects in normal mouse brain tissue after proton irradiation XXXI

Seit 1998 werden am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH (HZB) in Kooperation mit der Charité-Universitätsmedizin Berlin Augentumore mit Protonen bestrahlt. Dazu beschleunigt ein Zyklotron, welches hauptsächlich für die Therapie genutzt wird, die Protonen auf eine Energie von 68MeV. Neben dem Therapieplatz existiert auch ein Experimentierplatz zu Forschungszwecken. Die Strahlaufbereitung erfolgt in beiden Anwendungsgebieten primär durch passives Aufstreuen des Strahls mit einer einzelnen Streufolie. Dies führt jedoch zu erheblichen Strahlverlusten, die die erreichbare Strahlintensität bzw. Dosisleistung im Feld limitieren. Ziel dieser Arbeit ist es, einen Bestrahlungsplatz mit aktiver, dreidimensionaler Strahlführung aufzubauen, um eine möglichst effiziente Strahlstromnutzung zu ermöglichen und flexibel auf Anforderungen an das Bestrahlungsfeld eingehen zu können. Zu diesem Zweck wurde ein Modell entwickelt, welches unter Berücksichtigung verschiedener Parameter der Messgeometrie, Strahlcharakteristik und Felderzeugung Strahlprofile berechnet. Dieses Modell wurde im Vergleich mit Monte-Carlo Simulationen und Messungen getestet und verifiziert. Anschließend konnten Untersuchungen zur Positionierung der verwendeten Komponenten durchgeführt sowie deren Einflüsse auf Penumbra, Homogenität und Transmission der Strahlfelder analysiert werden. Es zeigte sich, dass die hohen klinischen Anforderungen für die Anwendung in der Augentumortherapie am HZB erfüllt werden können, sofern stärkere Magnetspulen verwendet werden. Mit Hilfe des Modells wurden für einen optimierten Aufbau Strahlprofile berechnet und charakterisiert. Es konnte so gezeigt werden, dass unter diesen optimierten Bedingungen eine Anwendbarkeit des aktiven Systems in der Augentumortherapie möglich ist. Des Weiteren wurde im Verlauf dieser Arbeit ein statischer Modulator für den Bestrahlungsplatz am HZB entwickelt, mit Hilfe eines 3D-Druckers hergestellt und erfolgreich getestet. / Since 1998, ocular tumours have been irradiated with protons at the Helmholtz- Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH (HZB) in cooperation with Charité-Universitätsmedizin Berlin. For this purpose a cyclotron is operated which accelerates protons to an energy of 68MeV and is mainly used for therapy purposes. In addition to the therapy station there is also an experimental station for research purposes. In both application areas, beam delivery is primarily achieved by passive scattering using a single scattering foil. However, this leads to considerable beam losses, which in turn limit the maximum beam intensity or dose rate in the irradiation field. The aim of this work is to construct an irradiation setup with active three-dimensional beam delivery in order to enable the most efficient possible use of beam current and to be able to respond flexibly to different irradiation field requirements. Therefore, a model was developed which calculates beam profiles taking into account various parameters of the measurement geometry, beam characteristics and field generation. This model was tested and verified in comparison with Monte Carlo simulations and measurements. Subsequently investigations into the positioning of the components used could be carried out and their influences on penumbra, homogeneity and transmission of the beam fields analysed. It was found that the high clinical requirements in terms of maximum penumbra and field homogeneity for the application in eye tumour therapy at HZB can be met if stronger magnetic coils were used. Model calculations were used to calculate and characterize different beam profiles for an optimized setup. It could be shown that under these optimized conditions an applicability of the active system in eye tumour therapy is possible. Furthermore, a static modulator for the irradiation site at HZB was developed in the course of this work, manufactured using a 3D printer and successfully tested.

Motivation: Radiotherapy is an important modality in cancer treatment commonly using photon beams from compact electron linear accelerators. However, due to the inverse depth dose profile (Bragg peak) with maximum dose deposition at the end of their path, proton beams allow a dose escalation within the target volume and reduction in surrounding normal tissue. Up to 20% of all radiotherapy patients could benefit from proton therapy (PT). Conventional accelerators are utilized to obtain proton beams with therapeutic energies of 70 – 250 MeV. These beams are then transported to the patient via magnetic transferlines and a rotatable beamline, called gantry, which are large and bulky. PT requires huge capex, limiting it to only a few big centres worldwide treating much less than 1% of radiotherapy patients. The new particle acceleration by ultra-intense laser pulses occurs on micrometer scales, potentially enabling more compact PT facilities and increasing their widespread. These laser-accelerated proton (LAP) bunches have been observed recently with energies of up to 90 MeV and scaling models predict LAP with therapeutic energies with the next generation petawatt laser systems. Challenges: Intense pulses with maximum 10 Hz repetition rate, broad energy spectrum, large divergence and short duration characterize LAP beams. In contrast, conventional accelerators generate mono-energetic, narrow, quasi-continuous beams. A new multifunctional gantry is needed for LAP beams with a capture and collimation system to control initial divergence, an energy selection system (ESS) to filter variable energy widths and a large acceptance beam shaping and scanning system. An advanced magnetic technology is also required for a compact and light gantry design. Furthermore, new dose deposition models and treatment planning systems (TPS) are needed for high quality, efficient dose delivery. Materials and Methods: In conventional dose modelling, mono-energetic beams with decreasing energies are superimposed to deliver uniform spread-out Bragg peak (SOBP). The low repetition rate of LAP pulses puts a critical constraint on treatment time and it is highly inefficient to utilize conventional dose models. It is imperative to utilize unique LAP beam properties to reduce total treatment times. A new 1D Broad Energy Assorted depth dose Deposition (BEAD) model was developed. It could deliver similar SOBP by superimposing several LAP pulses with variable broad energy widths. The BEAD model sets the primary criteria for the gantry, i.e. to filter and transport pulses with up to 20 times larger energy widths than conventional beams for efficient dose delivery. Air-core pulsed magnets can reach up to 6 times higher peak magnetic fields than conventional iron-core magnets and the pulsed nature of laser-driven sources allowed their use to reduce the size and weight of the gantry. An isocentric gantry was designed with integrated laser-target assembly, beam capture and collimation, variable ESS and large acceptance achromatic beam transport. An advanced clinical gantry was designed later with a novel active beam shaping and scanning system, called ELPIS. The filtered beam outputs via the advanced gantry simulations were implemented in an advanced 3D TPS, called LAPCERR. A LAP beam gantry and TPS were brought together for the first time, and clinical feasibility was studied for the advanced gantry via tumour conformal dose calculations on real patient data. Furthermore, for realization of pulsed gantry systems, a first pulsed beamline section consisting of prototypes of a capturing solenoid and a sector magnet was designed and tested at tandem accelerator with 10MeV pulsed proton beams. A first air-core pulsed quadrupole was also designed. Results: An advanced gantry with the new ELPIS system was designed and simulated. Simulated results show that achromatic beams with actively selectable beam sizes in the range of 1 – 20 cm diameter with selectable energy widths ranging from 19 – 3% can be delivered via the advanced gantry. ELPIS can also scan these large beams to a 20 × 10 cm2 irradiation field. This gantry is about 2.5 m in height and about 3.5 m in length, which is about 4 times smaller in volume than the conventional PT gantries. The clinical feasibility study on a head and neck tumour patient shows that these filtered beams can deliver state-of-the-art 3D intensity modulated treatment plans. Experimental characterization of a prototype pulsed beamline section was performed successfully and the synchronization of proton pulse with peak magnetic field in the individual magnets was established. This showed the practical applicability and feasibility of pulsed beamlines. The newly designed pulsed quadrupole with three times higher field gradients than iron-core quadrupoles is already manufactured and will be tested in near future. Conclusion: The main hurdle towards laser-driven PT is a laser accelerator providing beams of therapeutic quality, i.e. energy, intensity, stability, reliability. Nevertheless, the presented advanced clinical gantry design presents a complete beam transport solution for future laser-driven sources and shows the prospect and limitations of a compact laser-driven PT facility. Further development in the LAP-CERR is needed as it has the potential to utilize advanced beam controls from the ELPIS system and optimize doses on the basis of advanced dose schemes, like partial volume irradiation, to bring treatment times further down. To realize the gantry concept, further research, development and testing in higher field and higher (up to 10 Hz) repetition rate pulsed magnets to cater therapeutic proton beams is crucial.

Die Protonentherapie, welche zur Behandlung von Tumoren mittlerweile weltweit eingesetzt wird, könnte von einem System zur Reichweitekontrolle des Protonenstrahls bedeutend profitieren. Einen Rückschluss auf die Position der Protonen in Echtzeit ermöglicht die prompte Gammastrahlung. Diese Sekundärstrahlung entsteht durch nukleare Wechselwirkungen der Protonen mit den Atomkernen im Gewebe. Derzeit existieren verschiedene Methoden die aus einer Messung der zeitlichen oder räumlichen Verteilung dieser hochenergetischen Photonen versuchen eine Reichweiteinformation zu gewinnen. Die Methoden zur Nutzung prompter Gammastrahlung beruhen auf den verlässlichen Voraussagen von Teilchentransportrechnungen. Im Vergleich zu Messungen zeigen diese jedoch Diskrepanzen in den Photonenproduktionsquerschnitten aufgrund mangelnder experimenteller Stützstellen. Um einen Beitrag zu der Datenlage zu leisten, soll das Emissionsspektrum prompter Gammastrahlung am Kohlenstoff bestimmt werden. Dazu werden mithilfe von Entfaltungsalgorithmen aus den aufbereiteten Messdaten und der simulierten Detektorantwort vorhandene Energielinien und deren Intensität extrahiert. Über eine Normierung auf die Anzahl einfallender Protonen erfolgt die Bestimmung von Ausbeuten prompter Gammastrahlung bei der Bestrahlung homogener Kohlenstofftargets mit Protonen.:1 Einleitung und Motivation 2 Grundlagen der Entfaltung von Gammaspektren 2.1 Inverses Problem 2.1.1 Gold-Dekonvolution 2.1.2 Spektrum-Stripping 3 Experimentelle Bestimmung des prompten Gammaspektrums 3.1 Vorbetrachtungen und Aufbau des Experimentes 3.2 Verarbeitung der Messdaten 3.3 Optimierung des Messaufbaus und Maßnahmen der Untergrundreduktion 3.3.1 Abschirmung der Detektoren und Untergrundkorrektur 3.3.2 Flugzeitdiskriminierung 4 Entfaltung der gewonnenen Gammaspektren 4.1 Bestimmung der Detektorantwort mit GEANT 4 4.1.1 Bestimmung der detektorspezifischen Energieauflösung und des Ansprechvermögens über Quellmessungen 4.2 Entfaltung 4.2.1 Ergebnisse der Gold-Dekonvolution 4.2.2 Ergebnisse des Spektrum-Stripping 4.3 Protonenfluenznormierung 5 Zusammenfassung und Ausblick Anhang A Depositionsspektren der Detektoren 2 (125°) und 3 (55°) 69 Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Danksagung Selbstständigkeitserklärung / Proton therapy, which has become a clinically established technology for cancer treatment worldwide, would greatly benefit from an appropriate range verification system. A signature, which can be used to trace the range of the primary protons in real time during the treatment, is the so-called prompt gamma radiation. It is produced in nuclear reactions of the protons with the nuclei in tissue. Currently, there are different approaches which try to decode a range information from the spatial or time distribution of these high energetic photons. Methods utilizing prompt gamma-rays rely on the prediction of particle transport simulations. In comparison to measurements these simulations show severe deviations in prompt gamma-ray yield due to insufficient availability of experimental data. To make a contribution to the data situation, the prompt gamma-ray emission spectra for carbon should be investigated. Therefore deconvolution algorithms are applied to measured spectra with knowledge of the detector response function. Unfolded energy lines and their intensities are examined. With help of proton fluence some yields for the irradiation of homogeneous graphite targets are determined.:1 Einleitung und Motivation 2 Grundlagen der Entfaltung von Gammaspektren 2.1 Inverses Problem 2.1.1 Gold-Dekonvolution 2.1.2 Spektrum-Stripping 3 Experimentelle Bestimmung des prompten Gammaspektrums 3.1 Vorbetrachtungen und Aufbau des Experimentes 3.2 Verarbeitung der Messdaten 3.3 Optimierung des Messaufbaus und Maßnahmen der Untergrundreduktion 3.3.1 Abschirmung der Detektoren und Untergrundkorrektur 3.3.2 Flugzeitdiskriminierung 4 Entfaltung der gewonnenen Gammaspektren 4.1 Bestimmung der Detektorantwort mit GEANT 4 4.1.1 Bestimmung der detektorspezifischen Energieauflösung und des Ansprechvermögens über Quellmessungen 4.2 Entfaltung 4.2.1 Ergebnisse der Gold-Dekonvolution 4.2.2 Ergebnisse des Spektrum-Stripping 4.3 Protonenfluenznormierung 5 Zusammenfassung und Ausblick Anhang A Depositionsspektren der Detektoren 2 (125°) und 3 (55°) 69 Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Danksagung Selbstständigkeitserklärung

Es wird erwartet, dass die Integration der Magnetresonanztomografie (MRT) in die Protonentherapie die Treffgenauigkeit bei der Strahlentherapie für Krebserkrankungen deutlich verbessern wird. Besonders für Tumoren in beweglichen Organen des Thorax oder des Abdomens könnte die MRT-integrierte Protonentherapie (MRiPT) eine Synchronisierung der Bestrahlung mit der Tumorposition ermöglichen, was zu einer verminderten Normalgewebsdosis und weniger Nebenwirkungen führen könnte. Bis heute ist solch eine Integration jedoch aufgrund fehlender Studien zu potenziellen gegenseitigen Störeinflüssen dieser beiden Systeme nicht vollzogen worden. Diese Arbeit widmete sich zwei solcher Störeinflüsse, und zwar der Ablenkung des Protonenstrahls im Magnetfeld des MRT- Scanners, und umgekehrt, dem Einfluss der elekromagnetischen Felder der Protonentherapieanlage und des Protonenstrahls selbst auf die MRT-Bilder. Obwohl vorangegangene Studien den derzeitigen Konsens aufgezeigt haben, dass die Trajektorie eines abgebremsten Protonenstrahls im homogenen Phantom in einem transversalen Magnetfeld vorhersagbar ist, zeigte sich im quantitativen Vergleich der publizierten Modelle, der im ersten Teil dieser Arbeit vorgestellt wurde, dass die Vorhersagen dieser Modelle nur für eine begrenzte Anzahl von Kombinationen aus Magnetfeldstärke und Protonenenergie übereinstimmen. Die Schwächen bestehender analytischer Modelle wurden deshalb analysiert und quantifiziert. Kritische Annahmen und die mangelnde Anwendbarkeit auf realistische, d.h. inhomogene Magnetfeldstärken und Patientengeometrien wurden als Hauptprobleme identifiziert. Um diese zu überwinden, wurde ein neues semianalytisches Modell namens RAMDIM entwickelt. Es wurde gezeigt, dass dieses auf realistischere Fälle anwendbar und genauer ist als existierende analytische Modelle und dabei schneller als Monte-Carlo-basierte Teilchenspursimulationen. Es wird erwartet, dass dieses Modell in der MRiPT Anwendung findet zur schnellen und genauen Ablenkungsberechnung, zur Betrahlungsplanoptimierung und bei der MRT-geführten Strahlnachführung. In einem zweiten Schritt wurde die magnetfeldinduzierte Protonenstrahlablenkung in einem gewebeähnlichen Material durch Filmdosimetrie erstmalig gemessen und mit Monte-Carlo-Simulationen verglichen. In einem transversalen Magnetfeld einer Flussdichte von 0,95 T wurde experimentell gezeigt, dass die laterale Versetzung des Bragg-Peaks für Protonenenergien zwischen 80 und 180 MeV in PMMA zwischen 1 und 10 mm liegt. Die Retraktion des Bragg-Peaks war ≤ 0,5 mm. Es wurde gezeigt, dass die gemessene Versetzung des Bragg-Peaks innerhalb von 0,8 mm mit Monte-Carlo-basierten Vorhersagen übereinstimmt. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass die Protonenstrahlablenkung durch Monte-Carlo-Simulationen genau vorhersagbar ist und damit der Realisierbarkeit der MRiPT nicht im Wege steht. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde erstmalig ein MRT-Scanner in eine Protonenstrahlführung integriert. Hierfür wurde ein offener Niederfeld-MRT-Scanner am Ende einer statischen Forschungsstrahlführung einer Protonentherapieanlage platziert. Die durch das statische Magnetfeld des MRT-Scanners hervorgerufene Strahlablenkung wurde bei der Ausrichtung des MRT-Scanners berücksichtigt. Die sequenzabhängigen, veränderlichen Gradientenfelder hatten keinen messbaren Einfluss auf das transversale Strahlprofil hinter dem MRT-Scanner. Die Magnetfeldhomogenität des Scanners lag innerhalb der Herstellervorgaben und zeigte keinen relevanten Einfluss von Rotationen der Protonengantry im benachbarten Bestrahlungsraum. Eine magnetische Abschirmung war zum gleichzeitigen Betrieb des MRT-Scanners und der Protonentherapieanlage nicht notwendig. Dies beweist die Machbarkeit gleichzeitiger Bestrahlung und Bildgebung in einem ersten MRiPT Aufbau. Die MRT-Bildqualität des Aufbaus wurde darauffolgend anhand eines angepassten Standardprotokolls aus Spin-Echo- und Gradienten-Echo-Sequenzen quantifiziert und es wurde gezeigt, dass die Bildqualität sowohl ohne als auch mit gleichzeitiger Bestrahlung hinreichend ist. Alle bestimmten geometrischen Parameter stimmten mit den physikalischen Abmessungen des verwendeten Phantoms innerhalb eines Bildpixels überein. Wie es für Niederfeld-MRT-Scanner üblich ist, war das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) der MRT-Bilder gering, was im Vergleich zu den Standardkriterien zu einer geringen Bildhomogenität und zu einem hohen Geisterbildanteil im Bild führte. Außerdem wurde aufgrund von Unsicherheiten in der Hochfrequenzkalibrierung des MRT-Scanners eine starke Schwankung der vertikalen Phantomposition mit einem Interquartilabstand von bis zu 1,5 mm beobachtet. T2*-gewichtete Gradientenechosequenzen zeigten zudem aufgrund von Magnetfeldinho- mogenitäten relevante ortsabhängige Bildverzerrungen. Es wurde gezeigt, dass die meisten Bildqualitätsparameter mit und ohne gleichzeitige Betrahlung äquivalent sind. Es wurde jedoch ein signifikanter Betrahlungseinfluss in Form von einer vertikalen Bildverschiebung und einer Verminderung des SNR beobachtet, die durch eine Änderung im Magnetfeld des MRT-Scanners erklärt werden können, welche durch zu diesem Feld parallel ausgerichtete Komponenten im Fernfeld der Strahlführungsmagneten hervorgerufen wird. Während das verminderte SNR vermutlich irrelevant ist (Dif- ferenz im Median ≤ 1,5), ist die sequenzabhängige Bildverschiebung (Differenz im Median bis zu 0,7 mm) nicht immer vernachlässigbar. Diese Ergebisse zeigen, dass die MRT-Bilder durch gleichzeitige Bildgebung nicht schwerwiegend verfälscht werden, dass aber eine dedizierte Optimierung der Hochfrequenzkalibrierung und der MRT-Bildsequenzen notwendig ist. Im letzten Teil der Arbeit wurde gezeigt, dass ein stromabhängiger Einfluss des Protonenstrahls auf MRT-Bilder eines Wasserphantoms durch zwei verschiedene MRT-Sequenzen messbar gemacht und zur Reichweiteverifikation genutzt werden kann. Der Effekt war in verschiedenen Flüssigkeiten, jedoch nicht in viskosen und festen Materialen, nachweisbar und wurde auf Hitzekonvektion zurückgeführt. Es wird erwartet, dass diese Methode in der MRiPT für Konstanztests der Protonenreichweite bei der Maschinenqualitätssicherung nützlich sein wird. Zusammenfassend hat diese Arbeit die Genauigkeit der Vorhersage der Strahlablenkung quantifiziert und verbessert, sowie Potenzial und Realisierbarkeit einer gleichzeitigen MRT-Bildgebung und Protonenbestrahlung gezeigt. Die weitere Entwicklung eines ersten MRiPT-Prototyps ist demnach gerechtfertigt.:List of Figures v List of Tables vii 1 General Introduction 1 2 State of the Art: Proton Therapy and Magnetic Resonance Imaging 3 2.1 Proton Therapy 4 2.1.1 Physical Principle 4 2.1.2 Beam Delivery 7 2.1.3 Motion Management and the Role of Image Guidance 10 2.2 Magnetic Resonance Imaging 14 2.2.1 Physical Principle 14 2.2.2 Image Generation by Pulse Sequences 18 2.2.3 Image Quality 21 2.3 MR-Guided Radiotherapy 24 2.3.1 Offline MR Guidance 24 2.3.2 On-line MR Guidance 25 2.4 MR-Integrated Proton Therapy 28 2.4.1 Aims of this Thesis 32 3 Magnetic Field-Induced Beam Deflection and Bragg Peak Displacement 35 3.1 Analytical Description 36 3.1.1 Review of Analytical Models 36 3.1.2 New Model Formulation 41 3.1.3 Evaluation of Analytical and Numerical Models 44 3.1.4 Discussion 51 3.2 Monte Carlo Simulation and Experimental Verification 54 3.2.1 Verification Setup 54 3.2.2 Monte Carlo Simulation 56 3.2.3 Experimental Verification 60 3.2.4 Discussion 61 3.3 Summary 63 4 Integrated In-Beam MR System: Proof of Concept 65 4.1 Integration of a Low-Field MR Scanner and a Static Research Beamline 65 4.1.1 Proton Therapy System 66 4.1.2 MR Scanner 66 4.1.3 Potential Sources of Interference 67 4.1.4 Integration of Both Systems 68 4.2 Beam and Image Quality in the Integrated Setup 70 4.2.1 Beam Profile 70 4.2.2 MR Magnetic Field Homogeneity 72 4.2.3 MR Image Quality - Qualitative In Vivo and Ex Vivo Test 74 4.2.4 MR Image Quality - Quantitative Phantom Tests 77 4.3 Feasibility of MRI-based Range Verification 86 4.3.1 MR Sequences 86 4.3.2 Proton Beam Parameters 88 4.3.3 Target Material Dependence 91 4.3.4 Discussion 92 4.4 Summary 96 5 Discussion and Future Perspectives 99 6 Summary/Zusammenfassung 105 6.1 Summary 105 6.2 Zusammenfassung 108 Bibliography I Supplementary Information XXIX A Beam Deflection: Experimental Measurements XXIX A.1 Setup XXIX A.2 Film Handling and Evaluation XXX A.3 Uncertainty Estimation XXX B Beam Deflection: Monte Carlo Simulations XXXIII B.1 Magnetic Field Model XXXIII B.2 Uncertainty Estimation XXXIV C Integrated MRiPT Setup XXXVI C.1 Magnetic Field Map XXXVI C.2 Sequence Parameters XXXVI C.3 Image Quality Parameters XLII C.4 Range Verification Sequences XLII / The integration of magnetic resonance imaging (MRI) into proton therapy is expected to strongly increase the targeting accuracy in radiation therapy for cancerous diseases. Especially for tumours situated in mobile organs in the thorax and abdomen, MR-integrated proton therapy (MRiPT) could enable the synchronisation of irradiation to the tumour position, resulting in less dose to normal tissue and reduced side effects. However, such an integration has been hindered so far by a lack of scientific studies on the potential mutual interference between the two components. This thesis was dedicated to two of these sources of interference, namely the deflection of the proton beam by the magnetic field of the MR scanner and, vice versa, alterations of the MR image induced by the electromagnetic fields of the proton therapy facility and by the beam itself. Although previous work has indicated that there is general consensus that the trajectory of a slowing down proton beam in a homogeneous phantom inside a transverse magnetic field is predictable, a quantitative comparison of the published methods, as presented in the first part of this thesis, has shown that predictions of different models only agree for certain proton beam energies and magnetic flux densities. Therefore, shortcomings of previously published analytical methods have been analysed and quantified. The inclusion of critical assumptions and the lack of applicability to realistic, i.e. non-uniform, magnetic flux densities and patient anatomies have been identified as main problems. To overcome these deficiencies, a new semi-analytical model called RAMDIM has been developed. It was shown that this model is both applicable to more realistic setups and less assumptive than existing analytical approaches, and faster than Monte Carlo based particle tracking simulations. This model is expected to be useful in MRiPT for fast and accurate deflection estimations, treatment plan optimisation, and MR-guided beam tracking. In a second step, the magnetic field-induced proton beam deflection has been measured for the first time in a tissue-mimicking medium by film dosimetry and has been compared against Monte Carlo simulations. In a transverse magnetic field of 0.95 T, it was experimentally shown that the lateral Bragg peak displacement ranges between 1 mm and 10 mm for proton energies between 80 and 180 MeV in PMMA. Range retraction was found to be ≤ 0.5 mm. The measured Bragg peak displacement was shown to agree within 0.8 mm with Monte Carlo simulations. These results indicate that proton beam deflection in a homogeneous medium is accurately predictable for intermediate proton beam energies and magnetic flux densities by Monte Carlo simulations and therefore not impeding the feasibility of MRiPT. In the second part of this thesis, an MR scanner has been integrated into a proton beam line for the first time. For this purpose, an open low-field MR scanner has been placed at the end of a fixed horizontal proton research beam line in a proton therapy facility. The beam deflection induced by the static magnetic field of the scanner was taken into account for alignment of the beam and the FOV of the scanner. The pulse sequence-dependent dynamic gradient fields did not measurably affect the transverse beam profile behind the MR scanner. The MR magnetic field homogeneity was within the vendor’s specifications and not relevantly influenced by the rotation of the proton gantry in the neighbouring treatment room. No magnetic field compensation system was required for simultaneous operation of the MR scanner and the proton therapy system. These results proof that simultaneous irradiation and imaging is feasible in an in-beam MR setup. The MR image quality of the in-beam MR scanner was then quantified by an adapted standard protocol comprising spin and gradient echo imaging and shown to be acceptable both with and without simultaneous proton beam irradiation. All geometrical parameters agreed with the mechanical dimensions of the used phantom within one pixel width. As common for low-field MR scanners, the signal-to-noise ratio (SNR) of the MR images was low, which resulted in a low image uniformity and a high ghosting ratio in comparison to the standardised test criteria. Furthermore, a strong fluctuation of the vertical phantom position due to uncertainties in the pre-scan frequency calibration was observed, with an interquartile range of up to 1.5 mm. T2*-weighted gradient echo images showed relevant nonuniform deformations due to magnetic field inhomogeneities. Most image quality parameters were shown to be equivalent with and without simultaneous proton beam irradiation. However, a significant influence of simultaneous irradiation was observed as a shift of the vertical phantom position and a decrease in the SNR, both of which can be explained by a change in the B0 field of the MR scanner induced by components of the fringe field of the beam line magnets directed parallel to B0 . While the decrease in SNR is not expected to be relevant (median differences were within 1.5 ), the sequence-dependent phantom shift (median differences of up to 0.7 mm) can become non-negligible. These results show that the MR images are not severely distorted by simultaneous irradiation, but a dedicated optimisation of the pre-scan RF calibration and the MR sequences is required for MRiPT. Lastly, a current-dependent influence of the proton beam on the MR image was shown to be measurable in water in two different MR sequences, which allowed for range verification measurements. The effect was observed in different liquids but not in highly viscose and solid materials, and most probably induced by heat convection. This method is expected to be useful in MRiPT for consistency tests of the proton range during machine-specific quality assurance. In conclusion, this work has improved and quantified the accuracy of beam deflection predictions and shown the feasibility and potential of in-beam MR imaging, justifying further research towards a first MRiPT prototype.:List of Figures v List of Tables vii 1 General Introduction 1 2 State of the Art: Proton Therapy and Magnetic Resonance Imaging 3 2.1 Proton Therapy 4 2.1.1 Physical Principle 4 2.1.2 Beam Delivery 7 2.1.3 Motion Management and the Role of Image Guidance 10 2.2 Magnetic Resonance Imaging 14 2.2.1 Physical Principle 14 2.2.2 Image Generation by Pulse Sequences 18 2.2.3 Image Quality 21 2.3 MR-Guided Radiotherapy 24 2.3.1 Offline MR Guidance 24 2.3.2 On-line MR Guidance 25 2.4 MR-Integrated Proton Therapy 28 2.4.1 Aims of this Thesis 32 3 Magnetic Field-Induced Beam Deflection and Bragg Peak Displacement 35 3.1 Analytical Description 36 3.1.1 Review of Analytical Models 36 3.1.2 New Model Formulation 41 3.1.3 Evaluation of Analytical and Numerical Models 44 3.1.4 Discussion 51 3.2 Monte Carlo Simulation and Experimental Verification 54 3.2.1 Verification Setup 54 3.2.2 Monte Carlo Simulation 56 3.2.3 Experimental Verification 60 3.2.4 Discussion 61 3.3 Summary 63 4 Integrated In-Beam MR System: Proof of Concept 65 4.1 Integration of a Low-Field MR Scanner and a Static Research Beamline 65 4.1.1 Proton Therapy System 66 4.1.2 MR Scanner 66 4.1.3 Potential Sources of Interference 67 4.1.4 Integration of Both Systems 68 4.2 Beam and Image Quality in the Integrated Setup 70 4.2.1 Beam Profile 70 4.2.2 MR Magnetic Field Homogeneity 72 4.2.3 MR Image Quality - Qualitative In Vivo and Ex Vivo Test 74 4.2.4 MR Image Quality - Quantitative Phantom Tests 77 4.3 Feasibility of MRI-based Range Verification 86 4.3.1 MR Sequences 86 4.3.2 Proton Beam Parameters 88 4.3.3 Target Material Dependence 91 4.3.4 Discussion 92 4.4 Summary 96 5 Discussion and Future Perspectives 99 6 Summary/Zusammenfassung 105 6.1 Summary 105 6.2 Zusammenfassung 108 Bibliography I Supplementary Information XXIX A Beam Deflection: Experimental Measurements XXIX A.1 Setup XXIX A.2 Film Handling and Evaluation XXX A.3 Uncertainty Estimation XXX B Beam Deflection: Monte Carlo Simulations XXXIII B.1 Magnetic Field Model XXXIII B.2 Uncertainty Estimation XXXIV C Integrated MRiPT Setup XXXVI C.1 Magnetic Field Map XXXVI C.2 Sequence Parameters XXXVI C.3 Image Quality Parameters XLII C.4 Range Verification Sequences XLII

Derzeit gibt es eine intensive Debatte über die Notwendigkeit, Variationen der relativen biologischen Wirksamkeit (RBE) in der Protonentherapie zu berücksichtigen. Hier wurde die Variabilität der RBE für späte strahleninduzierte Hirnverletzungen (RIBI) untersucht, die nach einer Protonentherapie von Gliom-Hirntumorpatienten diagnostiziert wurden. Eine Gliomkohorte wurde definiert und auf späte RIBI untersucht, die in der Patienten-Nachsorge beobachtet wurden. Die RIBI Läsionen wurden mit linearen Energietransfer- und variablen RBE-Verteilungen korreliert, die unter Verwendung eines etablierten Monte-Carlo Frameworks berechnet wurden. Ein klinisches RBE Modell wurde erstellt und zur Evaluierung neuartiger Behandlungsstrategien angewendet. Die periventrikuläre Region wurde als anatomischer Risikofaktor für RIBI identifiziert und als neues Risikoorgan in die Protonenbehandlungsplanung an der Universitäts Protonen Therapie Dresden aufgenommen. Die Arbeit demonstriert die klinische Relevanz und präsentiert erste translatorische Schritte hin zur biologisch optimierten Protonentherapie unter Verwendung einer variablen RBE. / Currently, there is an intense debate on the need to consider variations in relative biological effectiveness (RBE) in proton therapy. Here, the variability of RBE was investigated for late radiation-induced brain injuries (RIBI) observed after proton therapy in glioma brain tumor patients. A glioma cohort was defined and evaluated for late RIBI observed in patient follow-up. Injury lesions were correlated to linear energy transfer and variable RBE distributions simulated using an established Monte-Carlo framework. A clinical RBE model was established and applied in treatment response assessment of novel treatment strategies. The periventricular region was identified as an anatomical risk factor for RIBI and incorporated as a new organ at risk in proton treatment planning at University Proton Therapy Dresden. The thesis demonstrates the clinical relevance and presents first translational steps towards biologically optimized proton therapy using a variable RBE.