Titelaufnahme

Die meisten externen Strahlentherapiebehandlungen werden zur Zeit mit Photonen durchgeführt. Während der letzten Jahre wurde die Teilchentherapie, d.h. die Verwendung von Protonen und Kohlenstoffionen, weiter verbreitet. Die bisherigen klinischen Erfahrungen mit der Teilchentherapie stimulieren die Verbesserung der Behandlungsschemata. Kein einzelnes Teilchen scheint jedoch für alle klinischen Anwendungen gleichermaßen geeignet zu sein. Deshalb wurde in den letzten Jahren die Suche nach der optimalen Teilchenauswahl intensiviert. Experimentelle und biologische Daten von anderen Ionenarten als Protonen oder Kohlenstoffionen sind nur vereinzelt vorhanden. In dieser PhD Arbeit wird die Machbarkeit von Behandlungen mittels Heliumionen (He) untersucht. Als erstes wurden die physikalischen Eigenschaften von He am Beispiel von Protonen mittels Monte Carlo Simulationen charakterisiert und eine Reduktion der lateralen Strahlaufweitung sowie der Reichweitenstreung um den Faktor 2 festgestellt. Anschließend wurde ein Dosisberechnungsalgorithmus entwickelt, basierend auf der Theorie der fluenzgewichteten Nadelstrahl (PB) Kerne. Ein neuartiger Minimierungsansatz erlaubte die Berechnung beliebiger Strahlformen. Coulombaufstreuung wurde berücksichtigt und zusätzliche Korrekturen konnten durch die Verwendung einer Voigt Funktion modelliert werden. In homogenen sowie inhomogenen Phantomen, wurde eine gute Übereinstimmung des Algorithmus mit der Simulation festgestellt. Die Präzision der Dosisberechnung war für Protonen und He vergleichbar. Die derzeit verfügbaren Daten über die biologische Wirksamkeit (RBE) von Helium sowie des linearen Energietransfers (LET) motivierten ein zonales RBE Modell. Im Plateaubereich wurde ein RBE von 1.0 angenommen, gefolgt von einem ansteigenden RBE bis zu 2,8. Für Protonen gibt es zunehmend Hinweise auf einen veränderlichen RBE. Daher wurde dasselbe Konzept mit einem maximalen RBE Wert von 1,6 auch auf Protonen angewendet. Beide biologischen Modelle wurden mit dem Algorithmus kombiniert und in das Bestrahlungsplanungssystem (TPS) Hyperion integriert. Mögliche Vorteile von He wurden in einer ersten Bestrahlungsplanungstudie anhand von vier Tumorarten, d.h. Prostata, Schädelbasis, pädiatrischen sowie Kopf-Hals Tumoren abgeschätzt. Biologisch optimierte Pläne sowie Pläne mit lediglich physikalischen Dosisbeiträgen wurden erstellt. Das Planungszielgebiet wurde für beide Teilchenarten gleich gut abgedeckt. Generell konnte mit He die Dosis in den Risikoorganen (OAR) reduziert werden, wobei bei biologisch optimierten Plänen eine bessere Schonung möglich war. Obwohl die Ergebnisse mögliche Vorteile von He im Vergleich zu Protonen zeigten, war keine quantitative Auswertung möglich. Daher wurde eine weitere Bestrahlungsplanungsstudie mit höherer Patientenzahl durchgeführt. Drei unterschiedliche pädiatrische Tumorindikationen, d.h. Neuroblastome (NB), Hodgkin Lymphome und Wilms Tumore wurden mit beiden Teilchenarten untersucht. NB Patienten wiesen die höchsten dosimetrischen Unterschiede auf. So konnte die Körperdosis, welche mit weniger als 60% der vorgeschriebenen Dosis belastet wird, um bis zu 10% reduziert werden. Vor allem die Nieren und die Leber konnten geschont werden. Generell führte die Verwendung von He zu einer erhöhten OAR Schonung, die Verbesserungen fielen aber geringer aus als erwartet. Die Verwendung höherer Dosen oder die Anwendung bei tief liegenden Tumoren könnte die Unterschiede verstärken. Zusammenfassend zeigen die durchgeführten Untersuchungen, dass He eine vielversprechende Alternative zu Protonen im niedrigen LET Bereich sein könnten. Auch andere Ionenarten könnten für die Teilchentherapie von Interesse sein. Sorgfältige Untersuchungen neuer Ionenarten sind notwendig, um die biologische Modellierung genauer abzustimmen sowie die Vor- und Nachteile zum Beispiel von Fragmentierungseffekten oder dosimetrische Ungenauigkeiten abschätzen zu können.

For the time being most external radiation therapy treatments employ photons. Over the last decades particle beam therapy became more widely available, utilizing accelerated protons and carbon ions in cancer management. The clinical experience gained with protons and carbon ions stimulates the refinement of treatment schemes and the evaluation of treatment related side effects. It seems clear that no particle alone can be optimal for all clinical situations. Therefore, in the last years, a thorough investigation of novel ions and on the optimal ion selection has begun. In this PhD thesis the feasibility of particle beam therapy employing helium ions is investigated. In a first step, the physical properties of helium ions were benchmarked against protons employing Monte Carlo simulations. Range straggling effects and lateral beam broadening were reduced by a factor of two. A flexible pencil beam (PB) algorithm was developed. It was based on the idea of fluence weighted elemental PB kernels. A novel minimization based splitting approach allowed the calculation of arbitrary beam shapes. Look-up tables (LUTs) were used to determine the dose deposition alongside the penetration path. Beam broadening due to multiple Coulomb scattering was accounted for and additional correction terms were included using a Voigt function. Verification showed excellent agreement in homogeneous phantoms and heterogeneous phantoms consisting of layered slabs. Dose calculation precision of the developed PB algorithm was similar for proton beams and helium ions. Its design provides easy customization and the use of non-Gaussian beam profiles, while allowing competitive calculation speeds. Currently available data on relative biological effectiveness (RBE) of helium ions alongside with linear energy transfer (LET) evaluations motivated an empirical zonal RBE model. A RBE of 1.0 in the plateau region, was followed by a rise up to 2.8. For protons, increasing evidence also points towards a dynamically changing RBE. Therefore, the same model concept with a maximum RBE of 1.6 was used. The resulting dose calculation module was integrated into the treatment planning system Hyperion. A prospective treatment planning study was conducted. Representative patients of different treatment sites, i.e. prostate, base-of-skull, paediatric, and head-and-neck tumours were included. Biologically optimized plans as well as plans employing only physical dose contributions were created and evaluated. For both particles planning target volume parameters were similar. Using helium ions doses to organs at risk (OAR) could be reduced. Biological optimized treatment plans showed bigger reductions in OAR dose compared to plans with only physical dose contributions. The data outlined the potential benefits of helium ions, but did not allow quantitative evaluations. Therefore, a planning study with a larger patient collective was performed for protons and helium ions. Three different paediatric indications, Neuroblastoma (NB), Hodgkin lymphoma and Wilms tumour were studied. Differences were highest for NB patients, where the body volume receiving less than 60% of the prescribed dose could be reduced by up to 10% employing helium ions. Especially for liver and kidneys pronounced differences were found. Generally, the use of helium ions resulted in improved OAR sparing for selected indications, but reductions were smaller than initially expected. Increased differences could be expected for higher doses and deeper located tumours. In summary, the results indicate that helium ions may provide an attractive alternative to protons in the low LET region. However, other ion species may also be of benefit for radiation therapy. Further careful evaluations of novel ion species are necessary in order to refine biological modelling and balance benefits and potential down-sides such as fragmentation effects or dosimetric challenges.