Die Protonentherapie zeichnet sich durch eine konformale und fokussierte Tumorbestrahlung aus, die es ermöglicht, gesundes Gewebe besser zu schonen als bei der konventionellen Strahlentherapie. Dieses Potential wird jedoch durch Unsicherheiten bei der Vorhersage der Protonenreichweite im Gewebe oder durch anatomische Veränderungen über den Verlauf der Therapie eingeschränkt. In der vorliegenden Arbeit wurde daher der klinische Nutzen eines Reichweiteverifikationssystems auf Grundlage von Prompt-Gamma-Imaging (PGI) zur Behandlungskontrolle untersucht. Dafür wurden Messungen mit einem PGI-System während Prostata- und Kopf-Hals-Tumor-Bestrahlungen durchgeführt und retrospektiv ausgewertet. Einerseits konnte dabei mittels PGI die Genauigkeit verschiedener Methoden zur Reichweitevorhersage überprüft werden. Es zeigte sich, dass die 2019 klinisch eingeführte Methode zur Reichweitevorhersage (DirectSPR) nicht von der mit PGI gemessenen Protonenreichweite in Prostata-Tumor-Bestrahlungen abweicht, wodurch die Reduktion der auf DirectSPR basierenden Reichweiteunsicherheiten unabhängig bestätigt werden konnte. Andererseits konnte die Detektionsfähigkeit von PGI bei der Erkennung relevanter und nicht relevanter anatomischer Veränderungen in applizierten Bestrahlungsfeldern nachgewiesen werden. Insbesondere wurde für die feldweise Klassifizierung der Prostata-Bestrahlungen eine Sensitivität und Spezifität von 74% bzw. 79% festgestellt. Damit konnte in dieser Dissertation erstmals systematisch das klinische Anwendungspotential eines Systems zur PGI-Reichweiteverifikation gezeigt werden. Als zusätzliche Untersuchung wurde in einer Kollaboration mit dem Massachusetts General Hospital zum ersten Mal ein Vergleich zwischen zwei verschiedenen, auf prompter Gammastrahlung basierenden Systemen zur Reichweiteverifikation durchgeführt. Dazu wurde ein standardisiertes Studienprotokoll etabliert, welches die Vergleichbarkeit und die klinische Implementierung von Reichweiteverifikationssystemen generell unterstützen könnte.:1 Einleitung
2 Strahlentherapie mit Protonen
2.1 Physikalische Grundlagen der Protonentherapie
2.2 Behandlungsablauf in der Protonentherapie
2.2.1 Bildgebung zur Therapieplanung
2.2.2 Bestrahlungsplanung
2.2.3 Strahlapplikation
2.3 Genauigkeit in der Protonentherapie
2.3.1 Ursachen für Behandlungs- und Reichweiteunsicherheiten
2.3.2 Aktueller Stand der Behandlungs- und Reichweiteverifikation
3 Methodik der Reichweiteverifikation mittels Prompt-Gamma-Bildgebung (PGI)
3.1 Funktionsprinzip der PGI-Schlitzkamera
3.2 Datenaufnahme und -verarbeitung
3.2.1 Detektoraufbau und Signalaufnahme
3.2.2 PGI-Simulation und Bestimmung der Reichweiteabweichung
3.3 Charakterisierung des PGI-Prototyps
3.3.1 Kalibrierung des Systems
3.3.2 Positionierungspräzision
3.4 Überblick zur PRIMA-Studie
3.5 Experimentelle Studien zur PGI-Simulationsgenauigkeit
3.5.1 Abhängigkeit vom PGI-Sichtfeld und der Protonenenergie
3.5.2 Validierung der erweiterten Simulationssoftware
3.5.3 Abhängigkeit von der Tumorentität
3.5.4 Schlussfolgerungen
4 Validierung der CT-basierten Reichweitevorhersage mittels PGI
4.1 Konzept der Validierung
4.2 Gesamtabschätzung der Validierungsunsicherheit
4.3 Ergebnisse der Validierung
4.4 Diskussion
5 Detektionsfähigkeit anatomischer Veränderungen mittels PGI
5.1 Prinzipieller Aufbau der Studie
5.2 Grundwahrheit auf Basis von CT- und Dosisinformationen
5.2.1 Manuelle Klassifizierung
5.2.2 Klassifizierung auf Grundlage von integrierten Tiefendosisprofilen
5.2.3 Ergebnis der Etablierung einer CT-basierten Grundwahrheit
5.3 Etablierung einer Klassifikation auf Basis von PGI-Daten
5.3.1 Verarbeitung der PGI-Daten mittels Cluster-Algorithmus
5.3.2 Definition von spot- oder clusterbasierten Klassifikationsmodellen
5.4 Ergebnisse der PGI-Detektionsfähigkeit
5.4.1 Auswertung für Patienten mit Prostata-Tumor
5.4.2 Auswertung für Patienten mit Tumoren im Kopf-Hals-Bereich
5.5 Diskussion
6 Genauigkeit zweier Reichweiteverifikationsmethoden – bizentrischer Vergleich
6.1 Material und Methoden
6.1.1 Bildgebung
6.1.2 Bestrahlungsplanung
6.1.3 Durchführung und Auswertung
6.2 Ergebnisse
6.3 Diskussion
7 Zusammenfassung
8 Summary / Proton therapy is a conformal and focused irradiation of the tumor, which allows for a better sparing of healthy tissue than with conventional radiotherapy. However, this potential is limited by uncertainties from the proton range prediction in the patient or anatomical changes over the course of the treatment. Therefore, in this work, the clinical benefit of a range verification system based on the prompt-gamma-imaging (PGI) method for treatment verification was investigated. For this purpose, measurements were carried out with a PGI system during prostate and head and neck cancer irradiations and evaluated retrospectively. On the one hand, PGI was used to review the accuracy of several range prediction methods. The results showed that a specific method for range prediction (DirectSPR), which was clinically introduced in 2019, does not deviate from the PGI-measured proton range in prostate cancer irradiations. This means that the reduction of the range uncertainties with DirectSPR could be independently confirmed. On the other hand, the detection capability of PGI in identifying relevant and non-relevant anatomical changes in delivered treatment fields was demonstrated. In particular, for the fieldwise classification of prostate irradiations a sensitivity and specificity of 74% and 79% was determined, respectively. Thus, the clinical potential of a PGI range verification system was for the first time systematically demonstrated in this thesis. Furthermore, in a collaboration with the Massachusetts General Hospital a first-time comparison of two different range verification systems based on prompt gamma radiation was conducted. Therefore, a standardized study protocol was established, which could generally foster the comparability and clinical implementation of range verification systems.:1 Einleitung
2 Strahlentherapie mit Protonen
2.1 Physikalische Grundlagen der Protonentherapie
2.2 Behandlungsablauf in der Protonentherapie
2.2.1 Bildgebung zur Therapieplanung
2.2.2 Bestrahlungsplanung
2.2.3 Strahlapplikation
2.3 Genauigkeit in der Protonentherapie
2.3.1 Ursachen für Behandlungs- und Reichweiteunsicherheiten
2.3.2 Aktueller Stand der Behandlungs- und Reichweiteverifikation
3 Methodik der Reichweiteverifikation mittels Prompt-Gamma-Bildgebung (PGI)
3.1 Funktionsprinzip der PGI-Schlitzkamera
3.2 Datenaufnahme und -verarbeitung
3.2.1 Detektoraufbau und Signalaufnahme
3.2.2 PGI-Simulation und Bestimmung der Reichweiteabweichung
3.3 Charakterisierung des PGI-Prototyps
3.3.1 Kalibrierung des Systems
3.3.2 Positionierungspräzision
3.4 Überblick zur PRIMA-Studie
3.5 Experimentelle Studien zur PGI-Simulationsgenauigkeit
3.5.1 Abhängigkeit vom PGI-Sichtfeld und der Protonenenergie
3.5.2 Validierung der erweiterten Simulationssoftware
3.5.3 Abhängigkeit von der Tumorentität
3.5.4 Schlussfolgerungen
4 Validierung der CT-basierten Reichweitevorhersage mittels PGI
4.1 Konzept der Validierung
4.2 Gesamtabschätzung der Validierungsunsicherheit
4.3 Ergebnisse der Validierung
4.4 Diskussion
5 Detektionsfähigkeit anatomischer Veränderungen mittels PGI
5.1 Prinzipieller Aufbau der Studie
5.2 Grundwahrheit auf Basis von CT- und Dosisinformationen
5.2.1 Manuelle Klassifizierung
5.2.2 Klassifizierung auf Grundlage von integrierten Tiefendosisprofilen
5.2.3 Ergebnis der Etablierung einer CT-basierten Grundwahrheit
5.3 Etablierung einer Klassifikation auf Basis von PGI-Daten
5.3.1 Verarbeitung der PGI-Daten mittels Cluster-Algorithmus
5.3.2 Definition von spot- oder clusterbasierten Klassifikationsmodellen
5.4 Ergebnisse der PGI-Detektionsfähigkeit
5.4.1 Auswertung für Patienten mit Prostata-Tumor
5.4.2 Auswertung für Patienten mit Tumoren im Kopf-Hals-Bereich
5.5 Diskussion
6 Genauigkeit zweier Reichweiteverifikationsmethoden – bizentrischer Vergleich
6.1 Material und Methoden
6.1.1 Bildgebung
6.1.2 Bestrahlungsplanung
6.1.3 Durchführung und Auswertung
6.2 Ergebnisse
6.3 Diskussion
7 Zusammenfassung
8 Summary
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:87974 |
| Date | 13 November 2023 |
| Creators | Berthold, Jonathan |
| Contributors | Enghardt, Wolfgang, Georg, Dietmar, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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