Titelaufnahme

Zur optimalen Anpassung der Dosis an das Tumorvolumen in der Strahlentherapie müssen Verschiebungen des Zielgebietes durch intrafraktionäre Organ- und Patientenbewegung berücksichtigt werden. Strategien zur Kompensation auftretender Bewegung und Bildgebungstechniken sind essentielle Voraussetzungen. Diese Arbeit konzentrierte sich auf Strategien zur Berücksichtigung intrafraktionärer Bewegung für Prostata und Lunge und die durch Bildgebungsmodalitäten verursachte zusätzliche Patientendosis. Die interfraktionäre Prostata- und Patientenbewegung wurde für 17 Patienten (Rektumballon, 3 Goldmarker in Prostata) untersucht. 12 IMRT-Patienten und 5 Patienten mit 4- Felder(F)-Box wurden in Rückenlage mit Knieunterlage immobilisiert. Nach Hautmarker-basiertem Setup erfolgten stereoskopische Aufnahmen. Die Patienten wurden verschoben und Verifikationsaufnahmen erstellt wenn der Positionierungsfehler >3mm. Alle Patienten erhielten Aufnahmen nach Ende der Bestrahlung, die IMRT-Patienten zusätzlich in der Mitte der Fraktion. Prostata- und Knochendrifts wurden als Funktion der Behandlungszeit ausgewertet. Die Patientenbewegung war sehr individuell, aber generell am kleinsten in SI-Richtung. Prostatadrifts nahmen mit Bestrahlungszeit in SI- und AP-Richtung zu, während die LAT-Richtung eher stabil war. Bestrahlungszeiten waren durchschnittlich 5.5min für 4F-Box, 10min für 5F-Boost-IMRT und >15min für 9F-Boost- und 9F-Becken- IMRT. Margins ergaben sich zu 2.2mm, 3.9mm, und 4.3mm für 4F-Box; 3.7mm, 2.6mm, und 3.6mm für 5F-Boost-IMRT; 2.3mm, 3.9mm, und 6.2mm für 9F- Boost-IMRT; und 4.2mm, 5.1mm, und 6.6mm für 9F-Becken-IMRT jeweils in LAT-, SI-, und AP-Richtungen. Die intrafraktionäre Prostata- und Patientenverschiebung nahm mit der Bestrahlungszeit zu. Eine Repositionierung der Patienten oder kürzere Bestrahlungszeiten sind für eine weitere Verkleinerung des Behandlungsmargins notwendig. Für stereotaktische Lungenbestrahlungen kann Echtzeit-2D/3D- Bildregistrierung für die Linac-integrierte kV-Bildgebung zur PTV- Reduktion verwendet werden, allerdings können Bewegungen entlang der Bildstrahlachse nicht aufgelöst werden. Daher wurde der Einfluss der gepaarten Registrierung des kV-Bildes mit portalen Aufnahmen auf die Registrierungsgenauigkeit für 10 Patienten untersucht. Zusätzlich zum Planungs-CT wurden während der Bestrahlung kV- und MV-Sequenzen aufgenommen. Genauigkeit der Registrierung für 6 Freiheitsgrade von AP kV-Aufnahmen wurde mit der einer Sequenz von kV-MV-Bildpaaren verglichen. Bewegungen in CC Richtung konnten mit kV-Aufnahmen extrahiert werden, aber in AP-Richtung traten große Registrierungsfehler auf. Unter Verwendung von kV-MV-Bildpaaren konnte der mittlere Registrierungsfehler von 2.9mm auf 1.5mm reduziert und die Bewegung entlang der AP-Richtung erfolgreich extrahiert werden. Die mittlere Registrierungszeit betrug 188ms. Die Untersuchung zeigte, dass die Verwendung von kV-MV-Bildpaaren zu einer verbesserten Bewegungsextraktion in 6 DOF führte und sich die Methode als geeignet zum Tumortracking mit einem konventionellen Linac präsentierte. Die Bildgebungsdosis im Zuge einer bildgeführten strahlentherapeutischen Behandlung wurde für die 2 klinischen Lokalisationen Prostata und Lunge in einem Alderson-Phantom mit TLDs gemessen. Untersuchte IGRT- Technologien für Prostata-Behandlungen waren CBCT (Linac und Simulator), CT und planare kV- und MV-Bildgebung. Die Gesamtdosis für 4 verschiedene Sequenzen für Prostata-Bestrahlungen wurde für klinisch verwendete Protokolle ermittelt. Für Lungenbestrahlungen wurden die klinisch verwendeten Protokolle für orthogonale, planare kV-, stereoskopische Bildgebung, CT-Scout-Views, Fluoroskopie, CT, 4D-CT und CBCT an 5 Ionentherapiezentren und 1 konventionellen Strahlentherapieklinik untersucht. Die Gesamtbildgebungsdosis wurde für institutsspezifische Protokolle ermittelt. Für Prostata wurden maximale Dosiswerte zwischen 40 und 100mGy für portale Bildgebung und CBCT (Linac) gemessen. Die maximale Gesamtdosis variierte zwischen 120 und 2250mGy abhängig von der Sequenz. Für Lunge ergaben sich Werte von ~1mGy für 2D-, 10-50mGy für 3D-Bildgebung und bis zu 150mGy für 3min Fluoroskopie. Gewissenhafte Überlegungen bezüglich der Bildgebungsdosis und Protokolloptimierung sind vor allem bei sehr intensiver Anwendung von Bildgebungssequenzen zu empfehlen. Gegenwärtig ist ein breites Technologiespektrum, das in der Lage ist die Konformität und Präzision in die Strahlentherapie zu verbessern, verfügbar. Die präsentierten Strategien zum Umgang mit intrafraktionärer Bewegung sind mögliche, auf das in unserer Klinik vorhandene Equipment optimierte Implementierungen. Die große Herausforderung für die Zukunft ist sicherlich die Implementierung des Bewegungsmanagements sowie der Adaptierung unter einem angemessenen und praktikablen Arbeitsaufwand für alle involvierten Berufsgruppen, mit dem Ziel Patienten die bestmögliche, individualisierte Therapie zu ermöglichen.

Organ and patient motion during radiotherapy fractions (intrafraction motion) can cause target displacements, which need to be accounted for when aiming for an optimization of the treatment by conforming the applied dose to the tumor volume. Motion management strategies and image guidance are important prerequisites for advanced treatment techniques in radiation oncology. This work focused on intrafraction motion management for two clinical sites, prostate and lung, which differ in motion behavior, and the additional imaging dose to the patient originating from imaging procedures for image-guided treatments. Intrafraction motion time trends of prostate and patient were studied for 17 prostate cancer patients receiving 3 gold markers implanted in the prostate for prostate localization. During the fraction they were immobilized with a knee support in supine position while an endorectal balloon was utilized for prostate immobilization. Patients were treated either with IMRT or a 4-field box technique. Imaging for setup was performed with a stereoscopic imaging system and a tolerance of 3mm was accepted. When a shift was required, an additional verification image pair was taken. To obtain a time trend for the motion, imaging was performed after the irradiation and for the IMRT patients also in the middle of the fraction. To extract the patient motion a bone match was carried out. Patient motion was individual, but essentially in SI direction their motion was smallest. Prostate displacements increased as a function of treatment time in SI and AP directions, while the LAT direction was rather stable. An increase of the displacement of prostate and patients with time was observed. Treatment length-specific margins could be suggested for the LAT, SI and AP directions. Prerequisites for smaller margins are shorter treatment fractions or position verification with subsequent setup corrections during the fraction. 2D/3D image registration in real time is a promising approach for tumor tracking with the aim to reduce the irradiated volume for lung cancer patients. Motion in cranio-caudal (CC) direction can be well extracted using the kV imaging unit integrated with the linac, but movements in the direction of the imaging beam are represented insufficiently. An improvement of accuracy is expected from a simultaneous registration of the kV images and the records of the megavoltage (MV) treatment beam. The planning CT scans for 10 patients were available, and kV and MV movies were recorded additionally during the treatment fractions. Motion in CC direction could be derived in both ways, while the average registration error in AP direction could be reduced from 2.9mm (sole kV registration) to 1.5mm utilizing the simultaneous registration. Simultaneous registration required mean registration times of less than 190ms. Paired kV-MV image registration results in an improved motion registration in 6 DOF and is thus a feasible approach for tumor tracking with a linac. The additional imaging dose to the patient resulting from various imaging procedures during radiotherapy was determined for prostate and lung focusing on equipment for conventional photon external beam radiation therapy and particle therapy in an Alderson Rando phantom with TLDs. For prostate radiotherapy the dose resulting from clinical protocols was investigated for a multislice-CT, CBCT at the linac and simulator, kV stereoscopic and kV and MV planar imaging and the overall imaging dose was determined for 4 different imaging schemes. Dose originating from protocols at 5 particle therapy centers and a conventional radiation therapy department for lung IGRT was measured for stereoscopic imaging, planar kV imaging, CT scout views, CT, 4D-CT, CBCT and fluoroscopy and the overall imaging dose compiled. For prostate, MV planar imaging led to maximum dose values of >100mGy, followed by the CBCT with >50mGy for a single imaging procedure. Overall maximum imaging doses from different schemes ranged from 120 to 2250mGy. Planar and stereoscopic imaging for lung IGRT led to an additional dose of ~1mGy, while 10-50mGy were reached with volumetric imaging. A fluoroscopy of 3min resulted in the maximum dose of 150mGy. Very low dose values (~1mGy) are caused by planar kV or stereoscopic imaging, while protocol optimization and dose awareness are suggested for intense imaging sequences. A variety of technological solutions are already available to improve the conformity and precision for treatments in radiation oncology. Strategies for intrafraction motion management presented in this work are possible options for prostate and lung treatments, optimized for the equipment at our department, while keeping in mind the associated imaging dose. The future major challenge is certainly to implement motion management as well as treatment adaptation at a manageable workload for all involved professional groups, aiming for the best possible individualized treatment for each patient.