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Hamburg, Carl von Ossietzky

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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-78319
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2016/7831/


A new on-board imaging treatment technique for palliative and emergency treatments in radiation oncology

Eine neue Behandlungsmethode für Palliativ- und Notfallbehandlungen in der Strahlentherapie mittels integrierter on-board Bildgebungsverfahren

Held, Mareike

pdf-Format:
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SWD-Schlagwörter: Strahlentherapie , Behandlungsmethoden , Notfallplanung
Freie Schlagwörter (Deutsch): MV CBCT , kV CBCT , Kegelstrahl-CT , Palliativbehandlung
Freie Schlagwörter (Englisch): dose calculation , emergency treatments , palliative radiation therapy
Basisklassifikation: 33.90 , 33.29
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Morin, Olivier (Asst. Prof., PhD)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 23.03.2016
Erstellungsjahr: 2016
Publikationsdatum: 06.04.2016
Kurzfassung auf Englisch: This dissertation focuses on the use of on-board imaging systems as the basis for treatment planning, presenting an additional application for on-board images. A clinical workflow is developed to simulate, plan, and deliver a simple radiation oncology treatment rapidly, using 3D patient scans. The work focuses on an on-line dose planning and delivery process based on on-board images entirely performed with the patient set up on the treatment couch of the linear accelerator. This potentially reduces the time between patient simulation and treatment to about 30 minutes.
The basis for correct dose calculation is the accurate image gray scale to tissue density calibration. The gray scale, which is defined in CT Numbers, is dependent on the energy spectrum of the beam. Therefore, an understanding of the physics characteristics of each on-board system is required to evaluate the impact on image quality, especially regarding the underlying cause of image noise, contrast, and non-uniformity. Modern on-board imaging systems, including kV and megavoltage (MV) cone beam (CB) CT as well as MV CT, are characterized in terms of image quality and stability. A library of phantom and patient CT images is used to evaluate the dose calculation accuracy for the on-board images. The dose calculation objective is to stay within 5% local dose differences compared to standard kV CT dose planning.
The objective is met in many treatment cases. However, dose calculation accuracy depends on the anatomical treatment site. While on-board CTbased treatments of the head and extremities are predictable within 5% on all systems, lung tissue and air cavities may create local dose discrepancies of more than 5%. The image quality varies between the tested units. Consequently, the CT number-to-density calibration is defined independently for each system. In case of some imaging systems, the CT numbers of the images are dependent on the protocol used for on-board imaging, which defines the imaging dose and reconstruction corrections. Consequently, multiple image value-to-density calibration curves are necessary for accurate dose calculation.
UCSF has implemented the new technique clinically for emergency treatments on their patients who stand to benefit from the fast simulation to treatment time frame that is achieved through this on-board imaging workflow.
Kurzfassung auf Deutsch: Diese Dissertation befasst sich mit der Anwendung von on-board-Bildgebungsverfahren als Grundlage für die Bestrahlungsplanung in der Strahlentherapie. Im Laufe des Arbeitsprozesses wurde ein klinischer Arbeitsablauf entwickelt, mit dem innerhalb kürzester Zeit eine einfache Strahlungsbehandlung anhand von 3-dimensionalen CT Bildern simuliert, geplant und durchgeführt werden kann. Dazu werden die verschiedenen Prozesse so verbunden, dass der Patient während der gesamten Zeit auf dem Behandlungstisch liegen bleiben kann. Folglich kann die gesamte Zeit - von der Simulation bis zur Behandlung - auf 30 Minuten reduziert werden.
Die wichtigste Grundlage zur Dosisberechnung anhand von CT Bildern ist die Kalibrierung der abgebildeten CT Grauskala zur Gewebedichte. Diese ist vom Energiespektrum der Photonen abhängig. Die damit verbundenen physikalischen Zusammenhänge sind grundlegend für das Verständnis der Bildqualität und damit für die Bearbeitung der Ursachen von Rausch-, Kontrast- und Uniformitäteigenschaften der verschiedenen on-board Systeme. Die Bildqualität und -stabilität von modernen on-board Bildgebungssystemen, wie z. B. kV und MV Kegelstrahl-CT sowie MV Fächerstrahl-CT, werden in dieser Arbeit charakterisiert. Dazu wird eine Sammlung an Phantom und Patienten-CT Bildern erstellt, um die Dosisberechnungsgenauigkeit anhand von on-board Bildern zu bestimmen. Das Ziel ist es, lokale Dosisdifferenzen von 5% im Vergleich zu kV CT basierten Behandlungsplänen nicht zu überschreiten.
Eine ausreichend genaue Dosisberechnung anhand von den erstellten onboard Bildern ist in den meisten Fällen gegeben. Die Genauigkeit der Berechnung hängt dabei von der Anatomie des Patienten ab. Behandlungen im Kopfbereich, die mit on-board Bildern geplant werden, sind unabhängig von der Art des on-board Bildgebungsverfahrens mit einer Differenz von <5% im Vergleich zu kV CT basierten Plänen ausreichend gut zu planen. Lungengewebe hingegen kann Dosisunterschiede von >5% im Vergleich zu kV CT Plänen verursachen. Da die Bildqualität sich zwischen verschiedenen on-board Systemen unterscheidet, wird die CT-Zahl zur Dichtekalibrierung jedes Systems einzeln erstellt. Im Fall von einigen Bildgebungsverfahren sind die CT-Zahlen außerdem abhängig von der Strahlungsdosis pro Scan und den verwendeten Korrekturfiltern. Somit werden in bestimmten Fällen mehrere Kalibrierungskurven für die genaue Konversion von CT-Zahlen zu Gewebedichte benötigt.
An der UCSF wird diese neue Methode als Ergebnis bereits klinisch verwendet. Besonders die dadurch erreichte verkürzte Behandlungszeit in einfacherer medizinischer Umgebung ist dabei neben den Aspekten von Arbeitszeit, Ressourcenverwaltung und damit auch finanzieller Kalkulationen im Klinikbetrieb der entscheidende Vorteil für den Patienten.

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