Objective: In this study, 22 cases of locally recurrent urological malignant fibrous histiocytoma were reviewed considering therapeutic options, follow-up and prognosis. Patients and Methods: In the available literature on this topic we identified 19 cases of locally recurrent genitourinary malignant fibrous histiocytoma. Three additional cases are discussed, primarily arising from the kidney, the bladder and the paratesticular region. Results: The prognosis of locally recurrent urological malignant fibrous histiocytoma was found to be extraordinarily poor. Only 2 of 22 patients have survived for longer than 3.5 years. One of them reported herein is still alive 10 years after extensive lymphatic spread accompanying the first local recurrence. In this case, late local recurrence occurred after an 8-year interval free of disease. Conclusion: Malignant fibrous histiocytoma is an unusual urological malignancy with a high rate of local recurrence. The latter is frequently accompanied by metastatic disease and unrelenting progression. Despite the poor prognosis early detection of local failure and aggressive salvage therapy might offer the chance of long-term survival in selected cases. Close and life-long follow-up is advisable for patients once treated for recurrent urological malignant fibrous histiocytoma. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

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.

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

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

Radiotherapy treatment-response of cancer patients can vary considerably, even in patients sharing the same diagnosis. Enhancing the degree of treatment personalization might offer a way towards improving curation rates. The recent advancements in the field of deep neural networks provide new directions for the non-invasive extraction of patient-individual biomarkers when applied on diagnostic imaging data. Within this thesis, we explored the potential of image-based deep learning as an enabler for individualized therapy. In a cohort of head and neck cancer patients, we first assessed the suitability of applying convolutional neural networks (CNNs) on pre-treatment computed tomography imaging data for the prediction of loco-regional tumor control in the presence of censored outcomes. We further investigated whether the predictive performance can be improved through the adoption of multitask learning strategies that combine multiple outcome prediction models and a tumor segmentation task, both for CNNs and the recently emerged vision transformer-based network architectures. Subsequently, we applied neural networks on multimodal and longitudinal imaging data collected during the course of radiotherapy and evaluated their potential to further improve outcome models. Finally, in the context of proton-beam radiotherapy of primary brain tumor patients, we applied CNNs for the prediction of the linear energy transfer and examined the feasibility of this approach for estimating treatment-related side-effects considering a variable biological effectiveness of protons.:1. Introduction 2. Theoretical background 3. Convolutional neural networks for outcome prediction 4. Multitask learning and attention-based models for outcome prediction 5. Longitudinal and multimodal models for outcome prediction 6. Prediction of the linear energy transfer in proton-beam radiotherapy / Das Ansprechverhalten von Krebspatienten auf eine Strahlentherapie kann selbst zwischen Patienten mit gleicher Diagnose deutlich variieren. Eine erweiterte Personalisierung der Behandlung stellt einen möglichen Weg dar, um die Heilungschancen zu verbessern. Durch die kürzlich erzielten Fortschritte im Bereich neuronaler Netzwerke bieten sich neue Möglichkeiten zur nicht-invasiven Extraktion patientenspezifischer Merkmale aus diagnostischen Bildgebungsdaten. In dieser Arbeit wurde das Potential tiefer, bildbasierter neuronaler Netzwerke für eine individualisierte Strahlentherapie analysiert. In einer Kohorte von Patienten mit Kopf- und Halstumoren wurde zunächst die Eignung faltender neuronaler Netzwerke (CNNs) zur Vorhersage der lokoregionären Kontrolle im Beisein zensierter Beobachtungen basierend auf prätherapeutischer Computertomographie (CT) evaluiert. Außerdem wurde untersucht, ob sich die Vorhersagequalität von CNNs und den kürzlich vorgestellten vision transformer Architekturen unter Verwendung von Multitask-Lernstrategien, welche mehrere Vorhersagemodelle und eine Segmentierung des Tumors kombinieren, verbessern lässt. Anschließend wurde die Anwendbarkeit neuronaler Netzwerke zur Analyse multimodaler und longitudinaler, während des Behandlungsverlaufes aufgenommener, Bildgebungsdaten aufgezeigt und ihr Potential zur weiteren Verbesserung der Vorhersagen analysiert. Abschließend wurden CNNs im Rahmen der Protonentherapie genutzt, um den linearen Energietransfer bei Patienten mit primären Hirntumoren vorherzusagen. Die Plausibilität dieser Vorhersagen zur Risikoabschätzung behandlungsbedingter Nebenwirkungen wurde unter Berücksichtigung einer variablen relativen biologischen Wirksamkeit von Protonen untersucht.:1. Introduction 2. Theoretical background 3. Convolutional neural networks for outcome prediction 4. Multitask learning and attention-based models for outcome prediction 5. Longitudinal and multimodal models for outcome prediction 6. Prediction of the linear energy transfer in proton-beam radiotherapy

Material und Methode: In einer retrospektiven Analyse wurden die Daten von 53 konsekutiven Patienten, 31 Männer und 22 Frauen, mit klinisch oder röntgenologisch präsenten metastatischen epiduralen Spinalkanalkompression ausgewertet. Das mediane Alter war 60 Jahre. Als Primärtumor waren Bronchialkarzinome (13 Patienten), Mammakarzinome (10) und Prostatakarzinome (10) am häufigsten zu finden. Ergebnisse: Die Therapieergebnisse hinsichtlich der Schmerzlinderung waren mit der Literatur vergleichbar (Ansprechrate= 66%). Als wichtigster prognostischer Faktor hinsichtlich der Gehfähigkeit hat sich der prätherapeutische Status erwiesen. Patienten, die Anfang der Therapie gehfähig waren, blieben in 94% der Fälle auch gehfähig, während nur ein Patient seine Gehfähigkeit bis Ende der Therapie wiedergewann (p< 0,001). Im Chi-Quadrat Test war auch der diagnosestellende Arzt prognostisch relevant: Patienten, deren Diagnose durch einen onkologisch tätigen Arzt gestellt wurde, hatten eine höhere Chance gehfähig zu bleiben (p=0,04). Das Gesamtüberleben (8 Monate median, Range 1-27 Monate ) entsprach den Literaturangaben. Nicht ambulante Patienten und Patienten mit Bronchialkarzinom hatten eine signifikant schlechtere Prognose (p / Materials and Methods: therapy charts of 53 consecutive patients, 31 male and 22 female, with metastatic epidural spinal cord compression treated with radiation therapy only have been analyzed. Median age was 60 ys. The most frequent primary tumours were bronchogenic carcinoma (13 patients), breast cancer (10 patients) and prostate cancer (10 patients),respectively.Results: MRI was the most sensitive diagnostic tool in detecting spinal cord compression. Plain X-ray films were not useful.Pain symptoms improved in 66% of the patients. The most important prognostic factor was the pretreatment mobility status. 94% of the ambulatory patients kept their walking ability but only one plegic patient could walk again after radiation therapy. (p=0.001) Patients whose back pain was presented to an oncologist were more likely to keep walking ability by the end of the therapy. (p=0.04) Patients with bronchogenic cancer and plegic patients had a significant worse survival. Conclusion: Patients with a known malignant tumor and progressive or axial back pain should undergo MRI scan to rule out spinal cord compression. For patients without severe neuorologic deficit and MRI proven epidural compression radiation therapy is able to preserve walking ability and reduce pain. General practitioners and patients should be informed about the symptoms and the therapeutic and diagnostic possibilities of spinal cord dompression.

Thymome gehören zu den häufigsten Tumoren des Mediastinums. Die Thymektomie (Thx) gilt als Therapie der Wahl. Die adjuvante Radiotherapie (RTx) ist bei invasiven Thymomen ab Stadium II nach Masaoka je nach Histologie indiziert. Die adjuvante Chemotherapie (CTx) bei invasiven Thymomen und Thymuskarzinomen muss weiter evaluiert werden. Methodik: Retrospektiv wurden die Daten von 40 Patienten, die von 1/1983 bis 12/1998 wegen Thymustumor einer Thx unterzogen wurden, ausgewertet. Es erfolgte die (Re)Klassifikation nach Masaoka, Müller-Hermelink und WHO zur Evaluation ihrer prognostischen Relevanz. Eine systematische Analyse der Therapiestudien im Zeitraum 1970-1999 sollte die Rolle adjuvanter Therapie evaluieren und klinische Prognosefaktoren ermitteln. Ergebnisse: Die Daten von 40 Patienten (30 Frauen und 10 Männer, das mediane Alter 52 Jahre) wurden analysiert. In 19 Fällen lag eine thymom-assoziierte Myasthenia gravis vor. 35 Pat. Wurden R0 reseziert. Die Histologie zeigte: 32 Thymome, 4 Karzinome, 2 Karzinoide und 2 Zysten. Subgruppenanalyse zeigte folgende nicht-invasive Thymome: WHO A=8 (21,1%), WHO AB=11 (28,9%) und invasive Thymome: WHO B1=1 (2,6%) und B2=12 (31,6%), WHO C=6 (15,8%). Bei invasiven Thymomen und Thymuskarzinomen erfolgte in 8 Fällen eine adjuvante RTx und nur in 3 Fällen eine CTx. Bei einem Follow-up von 1-168 Monaten betrug das kumulat. Überleben nach 5 Jahren 83% und nach 10 Jahren 74%. In univariater Analyse beeinflussen die Müller-Hermelink- und Masaoka-Klassifikation sowie der Resktionsstatus das Gesamtüberleben positiv. Die multivariate Analyse nach Cox ergab keine statistisch Signifikanz. Die systematische Literaturanalyse schloss 191 Arbeiten ein. In 33 Arbeiten wird die Rolle der poteniellen Prädiktivfaktoren untersucht. Wir fanden 71 Artikel zur adjuvanten Therapie: 51 zur CTx und 20 zur RTx. Die adjuvante CTx (z.B. PAC-Schema) zeigt objektive Ansprechrate und bessert das Gesamtüberleben. Die RTx verringert das Rezidivrisiko evident und bessert das Gesamtüberleben. Schlussfolgerung: Die Thx ist die primäre Therapie. Eine adjuvante RTx soll bei allen invasiven Thymomen der WHO-Klasse B und C ab Stadium II nach Masaoka durchgeführt werden. Eine adjuvante Cisplatin-basierten CTx (z.B. PAC-Schema) ist ab dem Masaoka-Stadium III, bei Thymuskarzinomen und Rezidiven indiziert. / Thymoma belong to the most frequent tumors of the mediastinum. The thymectomy (Thx) is considered as therapy of choice. The adjuvante radiotherapy (RTx) is indicated in invasive thymoma starting from stage II Masaoka depending upon histology. The adjuvante chemotherapy (TX) in invasive thymoma and thymus carcinoma must be further evaluated. Patients and Methods: 40 patients the data were retrospectively analysed, who were submitted from 1/1983 to 12/1998 because of thymus tumors. It took place (Re)classifikation according to Masaoka, Mueller-Link and WHO for the evaluation of its prognostic relevance. A systematic analysis of the literature in the period 1970-1999 should evaluate the role of adjuvante therapy procedures and determine clinical prognosis factors. Results: The data of 40 patients (30 women and 10 men, median age 52 years) were analyzed. In 19 cases thymoma-associated Myasthenia gravis was showed. The histology showed: 32 thymoma, 4 carcinoma, 2 endocrine thymic tumors and 2 cysts: Subgroup analysis showed following non-invasive thymomas: WHO A=8 (21,1%), WHO AB=11 (28,9%) and invasive thymomas: WHO B1=1 (2,6%) and B2=12 (31,6%), WHO C=6 (15,8%). With invasive thymoma and thymus carcinoma. Adjuvante RTx took place in 8 patients with invasive tumors and 3 cases unterwent CTx. With a Follow UP of 1-168 months amounted to overall survive after 5 years 83% and after 10 years 74%. Univariate analysis showed that the Mueller-Hermelink and Masaoka classification as well as the resection extent influence the total surviving positively. The multivariate analysis after Cox did not result in statistically significance. The systematic literature analysis included 191 work. In 33 work the role of the predictive factors is examined. We found 71 articles to the adjuvante therapy: 51 to the TX and 20 to the RTx. The adjuvante CTx (e.g. PAC pattern) shows objective response rate and improves the total surviving. The RTx reduces the recurrence risk evidently and improves overall survival. Conclusion: The Thx is the primary therapy. A adjuvante RTx is to be executed with all invasive thymoma of the WHO class B and C starting from stage II-Masaoka. A adjuvante Cisplatin based TX (e.g. PAC pattern) is indicated starting from the Masaoka stage III, in thymic carcinomas and even in recurrence tumors.

Die ultrahypofraktionierte MRT-gestützte Strahlentherapie (MRIgRT) ist eine Alternative zur normo- oder hypofraktionierten Bestrahlung beim lokalisiertem Prostatakarzinom. Mit der erhöhten Dosis pro Fraktion bei der ultrahypofraktionierten Strahlentherapie ist eine präzise Dosisappliaktion von großer Bedeutung, um eine Tumorkontrolle mit minimalen Nebenwirkungen zu erreichen. Ziel dieser Studie war es, zwei Patientenkohorten zu untersuchen, um die Auswirkungen der Verwendung eines Rektumballons (ERB) auf die Positionsstabilität der Prostata und der Samenblasen (SV) während der ultrahypofraktionierten MRIgRT beim lokalisierten Prostatakarzinom zu analysieren. Die erste Kohorte bestand aus zehn Patienten, die zwischen September 2022 und Mai 2023 am Universitätsklinikum Dresden in der Klinik und Poliklinik für Strahlentherapie und Radioonkologie mit einem ERB an einem Unity MR-LINAC (Elekta) ultrahypofraktioniert bestrahlt wurden. Die zweite Kohorte umfasste zehn Patienten, die im gleichen Zeitraum ohne ERB an der Universitätsklinik für Strahlentherapie Tübingen ebenfalls an einem Unity MR-LINAC (Elekta) mittels ultrahypofraktionierter MRIgRT behandelt wurden. Die Dosis auf die Prostata und die auf SV betrug für beide Kohorten 39.20 Gy in 7 Fraktionen, mit einem gleichzeitig integrierten Boost von 42.60 Gy auf die Prostata. Insgesamt wurden für beide Kohorten zwei anatomische MRT-Bilder pro Fraktion, bestehend aus dem täglichen Planungs-MRT (PL) für die erneute Planung gemäß dem adapt-to-shape workflow (ATS) und dem MRT-Scan nach der Behandlung (PT), zur Anpassung der Konturen [Monaco 5.51.11-Behandlungsplanungssystems (Elekta)] verwendet. Anschließend wurden der Massenmittelpunkt für die Prostata und die SV bestimmt, und die Positionsabweichungen zwischen PL-MRT und PT-MRT berechnet. Die Abweichungen wurden in den Richtungen links-rechts (LR, x), superior-inferior (SI, y), anterior-posterior (AP, z) sowie für die euklidische Distanz (d) ausgewertet. Fälle mit d>0.4 cm wurden visuell auf mögliche Patientenbewegungen überprüft und gegebenenfalls ausgeschlossen. Zur Klassifizierung von zufälligen und systematischen Fehlern wurden der Gruppenmittelwertfehler (M) und die Standardabweichungen (SD) der zufälligen (σ) und systematischen Fehler (∑) berechnet. Für die Kohorte aus Dresden, welche mit einem ERB behandelt wurde, wurden insgesamt 44 Behandlungsfraktionen ausgewertet. Die durchschnittliche Behandlungszeit betrug 43,5 Minuten. Die Positionsabweichungen der Prostata in dieser Gruppe zeigten im Mittel eine Verschiebung von M=0.0 [-0.5–0.3] cm für LR, 0.2 [-0.2–1.4] cm für SI, 0.2 [-0.2–0.5] cm für AP und 0.3 [0.0–1.4] cm für d. Für die Positionsabweichung der Samenblasen betrug die durchschnittliche Verschiebung 0.0 [-0.2–0.3] cm für LR, 0.1 [-0.2–0.5] cm für SI, 0.2 [-0.1–0.7] cm für AP und 0.3 [0.1–0.8] cm für d. Für die Kohorte aus Tübingen, welche ohne einem ERB behandelt wurde, wurden insgesamt 69 Behandlungsfraktionen ausgewertet. Die durchschnittliche Behandlungszeit betrug 30 Minuten. Die Positionsabweichungen der Prostata in dieser Gruppe zeigten im Mittel eine Verschiebung von M=0.0 [-0.4– 0.23] cm für LR, 0.1 [-0.7– 1.1] cm für SI, 0.0 [-0.6 – 0.9] cm für AP und 0.26 [0.0 – 1.2] für d. Für die Positionsabweichung der Samenblasen betrug die durchschnittliche Verschiebung 0.0 [-0.21 – 0.4] cm für LR, 0.0 [-1.1 – 0.8] cm für SI, 0.1 [- 0.7– 0.9] cm für AP und 0.3 [0.1–0.8] cm für d. Die Bewertung dieser Ergebnisse zeigte, dass die Prostatabewegung in der SI Richtung in der Gruppe mit ERB grenzwertig signifikant größer war (0.15 cm gegenüber 0.05 cm, p=0,052). Auch in der AP Richtung war die Bewegung in der Gruppe mit ERB signifikant größer (0.17 cm gegenüber -0.01 cm, p=0.009). Bei den Samenblasen zeigte die Gruppe mit ERB eine stärkere Bewegung in der SI Richtung (0.1 cm gegenüber 0.0 cm, p=0.039). Darüber hinaus war die Variabilität der Bewegungen in der Gruppe ohne ERB höher (0.2 cm gegenüber 0.1cm) was sich in einer signifikanten Differenz der absoluten Bewegungen widerspiegelte (p=0.014) Insgesamt wird aus den Ergebnissen deutlich, dass die intrafraktionale Bewegung der Prostata und SV in beiden Gruppen, mit oder ohne ERB, minimal war. Die Studie legt somit nahe, dass der ERB bei der ultrahypofraktionierten MRIgRT nicht notwendig ist, da er keine signifikanten Vorteile hinsichtlich der Positionsstabilität der Prostata und SV bietet.

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Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) bei der Schwerionentherapie ist eine wichtige Methode zur Qualitätskontrolle in der Tumortherapie mit Kohlenstoffionen. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Verbesserungen des PET-Verfahrens, wodurch sich in der Folge präzisere Aussagen zur Dosisapplikation treffen lassen. Aufbauend auf den Grundlagen (Kap. 2) werden die Neuentwicklungen in den drei darauf folgenden Abschnitten (Modellierung des Abbildungsprozesses bei der PET, Streukorrektur für PET bei der Schwerionentherapie, Verarbeitung der rekonstruierten PET-Daten) beschrieben. Die PET-Methode bei der Schwerionentherapie basiert auf dem Vergleich zwischen den gemessenen und vorausberechneten Aktivitätsverteilungen. Die verwendeten Modelle in der Simulation (Erzeugung der Positronenemitter, deren Ausbreitung, der Transport und der Nachweis der Annihilationsquanten) sollten so präzise wie möglich sein, damit ein aussagekräftiger Vergleich möglich wird. Die Genauigkeit der Beschreibung der physikalischen Prozesse wurde verbessert und zeiteffiziente Algorithmen angewendet, die zu einer erheblichen Verkürzung der Rechenzeit führen. Die erwarteten bzw. die gemessenen räumlichen Radioaktivitätsverteilungen werden mit einem iterativen Verfahren rekonstruiert [Lau99]. Die gemessenen Daten müssen hinsichtlich der im Messobjekt auftretenden Comptonstreuung der Annihilationsphotonen korrigiert werden. Es wird ein geeignetes Verfahren zur Streukorrektur für die Therapieüberwachung vorgeschlagen und dessen Realisierung beschrieben. Zur Einschätzung der Güte der Behandlung wird die gemessene und die simulierte Aktivitätsverteilung verglichen. Dazu wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit eine Software entwickelt, das die rekonstruierten PET-Daten visualisiert und die anatomischen Informationen des Röntgentomogramms mit einbezieht. Nur durch dieses Auswerteverfahren war es möglich, Fehler im physikalischen Strahlmodell aufzudecken und somit die Bestrahlungsplanung zu verbessern.