Berechnung der RBW-gewichteten Dosis und biologische Dosimetrie für bewegte Zielvolumina in der Tumortherapie mit gescannten Kohlenstoffionen

• Main Author: Gemmel, Alexander
• Format: Others
• Language: German; de
• Published: 2009
• Online Access: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/1908/1/Diss_Lebenslauf_A_Gemmel_Genehmigt_Druck.pdf; Gemmel, Alexander <http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/view/person/Gemmel=3AAlexander=3A=3A.html> (2009): Berechnung der RBW-gewichteten Dosis und biologische Dosimetrie für bewegte Zielvolumina in der Tumortherapie mit gescannten Kohlenstoffionen.Darmstadt, Technische Universität, [Ph.D. Thesis]

Der Einsatz von Kohlenstoffionen und ihre Applikation mittels des Rasterscanverfahrens machen die Tumortherapie am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung weltweit einmalig. Das Rasterscanverfahren ermöglicht mittels eines feinen Strahls, der über das Tumorvolumen geführt wird, eine äußerst tumorkonforme Bestrahlung bei gleichzeitiger Schonung des umliegenden Normalgewebes. Neben dem invertierten Dosisprofil von Teilchenstrahlen haben Kohlenstoffionen im Zielvolumen eine höhere relative biologische Wirksamkeit (RBW) als im Eingangskanal. Die Überlagerung mehrerer Tausend Einzelstrahlen durch intensitätsmodulierte Teilchenapplikation führt zu gemischten Teilchenfeldern, die eine ortsaufgelöste Berechnung der RBW notwendig machen. Bisher wurden nur unbewegliche Tumoren behandelt, wie sie zum Beispiel im Bereich der Schädelbasis vorkommen. Bei bewegten Zielvolumina kann auf Grund des Wechselspiels zwischen dynamischer Strahlapplikation und Tumorbewegung selbst unter Verwendung von in der Photonentherapie üblichen Sicherheitssäumen keine tumorkonforme Dosisbelegung erfolgen. Es wurde daher ein Prototyp zur Nachführung des Strahls an die Bewegung sowie eine dedizierte 4D Bestrahlungsplanung für die absorbierte Dosis entwickelt. Das Ziel dieser Arbeit war die Berechnung der klinisch relevanten RBW-gewichteten Dosis unter Berücksichtigung der komplexen Abhängigkeit der RBW von Teilchenzahl, -sorte und -energie in die 4D Bestrahlungsplanung zu integrieren. Dies gelang mit einem Algorithmus, der auf der Basis von 4D-CT die Beiträge jeder Bewegungsphase zum gemischten Teilchenstrahlfeld voll berücksichtigt. Zur Verifikation der Berechnungen wurde ein Bewegungsphantom entwickelt, um ortsaufgelöst das Überleben von Zellkulturen und damit die RBW-gewichtete Dosis zu messen. Die Genauigkeit von Einzelmessungen liegt bei 8-12 % und ist vergleichbar mit anderen Systemen für die biologische Dosimetrie von stationären Zielvolumina. Das Bewegungsphantom wurde in mehreren Messungen benutzt, um die Methode zur Berechnung der RBW-gewichteten Dosis für bewegte Zielvolumina erfolgreich zu validieren: Im Mittel ergaben sich mit 0-3% nur geringe Differenzen zwischen Messung und Vorhersage. Abschließend wurde das Bewegungsphantom für eine biologische Verifikation des Bewegungskompensationssystems in einer Experimentserie benutzt, die eine dreidimensionale Anpassung der Strahlposition erforderte. Die Ergebnisse der bewegungskompensierten Bestrahlung und der stationären Referenzbestrahlung sowie der jeweilige Vergleich zwischen Messung und Berechnung des Zellüberlebens lagen innerhalb der Messgenauigkeit der Experimentserie von 7% und waren damit erfolgreich.