Titelaufnahme

Titel
3D imaging in modern brachytherapy : design and verification of novel treatment planning concepts / Daniel Berger
VerfasserBerger, Daniel
Begutachter / BegutachterinKirisits, Christian
Erschienen2008
Umfang62 Bl. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Med. Univ., Diss., 2008
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Brachytherapie / Brust / Zervix / Dosimetrie / Risikoorgane / Haut /Vagina / Magnetresonanztherapie
Schlagwörter (EN)Brachytherapy / breast / cervix / dosimetry / organs at risk / skin / vagina / MR imaging
URNurn:nbn:at:at-ubmuw:1-348 Persistent Identifier (URN)
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3D imaging in modern brachytherapy [2.09 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Die Integration einer modernen 3D Bildgebung in die Bestrahlungsplanungs-Konzepte der Brachytherapie ist essentiell für eine präzise Applikator-Rekonstruktion und für die Dosimetrie der Risikoorgane. Die am häufigsten auftretenden Tumore der Frau, wie Brust und Gebärmutterhals-Krebs, wurden herangezogen, um die brachytherapeutische Bestrahlungs-planung zu verbessern. Die Schonung von Risikoorganen durch Minimierung der Dosis und die damit verbundene Senkung des Nebenwirkungsrisikos, ist ebenso wichtig, wie die suffiziente Auslastung (Bestrahlung) des Tumors (Zielgebietes). Dies ist besonders in der Brachytherapie kritisch, da eine sehr hohe Dosis mit radioaktiv umschlossenen Quellen innerhalb, oder nahe am Zielgebiet durch intrakavitäre (z.B. Stift-Ring) oder interstitielle (Nadeln, flexible Schläuche) Applikatoren verabreicht wird.

Bei der Bestrahlungsplanung, werden bei bösartigen Tumoren der Zervix, die Vagina und bei Tumoren der Brust die Haut als Risikoorgane im Detail analysiert. Dabei wurden sämtliche innovativen Techniken und Konzepte mit traditionellen (klinisch erprobten) Methoden verglichen, um den technologischen Fortschritt zu überprüfen. Die Qualitätssicherung der, auf den Schnittbildern (Magnetresonanz oder Computertomographie) basierenden Applikator- Rekonstruktions- Methoden, wurde dadurch gewährleistet, dass die generierten Bestrahlungspläne (entsprechend dem Beladungsmuster und der Quell -Verweilzeiten/-Gewichtungen) anhand dosimetrisch relevanter Parameter mit den klinisch verwendeten Plänen (Rekonstruktion basieren auf orthogonaler Röntgenaufnahmen) verglichen wurden. Um die Dosis an Risikoorganen detaillierter und räumlich ortsungebunden zu dokumentieren, wurden Dosis-Volumen-Histogramm (DVH) Parameter gegenüber Punktdosiswerten bevorzugt verwendet. Zusätzlich zu diesen Verbesserungen wurden die Limitationen und Unsicherheiten (Grenzen der Genauigkeit) der Brachytherapie, die sich aufgrund des steilen Dosisgradienten in der unmittelbaren Nähe zu radioaktiven Quellen ergeben, verdeutlicht und erörtert. Im Speziellen wurden die räumliche Auflösung, Schichtdicke sowie Magnetfeld-Verzerrungen in MR Bildern für Konturierung, Dosis-Berechnung, Applikator-Rekonstruktion oder Quellen-Positionierung betrachtet. Es wurden Phantome angefertigt, um Hypothesen, Konzepte, Methoden und Resultate dieser Arbeit wissenschaftlich zu belegen und zu bestätigen.

Um die erste Ring-Verweil-Position (relativ zu den äußeren Dimensionen des Applikators) genau bestimmen zu können, wurde ein transparentes Ring-Phantom optisch vermessen. Dies ermöglicht eine präzise geometrische Rekonstruktion des Stift-Ring-Applikator in einem 3D MR Bilddatensatz. Die Vaginaldosis wurde durch zusätzliche Messungen in einem experimentellen Aufbau mit radiosensitiven Filmen (GafChromic) ermittelt. Die Genauigkeit der Konturierung, sowie die daraus resultierende Robustheit von DVH- Parametern der Haut, wurde anhand eines Brust-Phantom überprüft.

Die Verwendung von MR- Bildern zur Direktrekonstruktion von Applikatoren ist klinisch für die Brachytherapie des Zervix- Karzinoms zulässig.

Aufgrund derzeitiger Limitierungen durch die MR- Bildgebung, liefern, im Falle der Brust lediglich CT- Schnittbilder die notwendige Genauigkeit und Alternative zur klassischen Röntgenfilm basierenden Rekonstruktionsmethode. Die entwickelte Methodik der MR Direktrekonstruktion des Stift-Ring-Applikators wurde erfolgreich in den routinemäßigen Bestrahlungsplanungsprozesses an der Medizinischen Universität Wien, AKH integriert und in neue kommerziell erhältliche Bestrahlungs-Planungs-Systeme als Softwarelösung implementiert. Neue Dosimetriekonzepte für Risikoorgane der 3D Bildgestützten Brachytherapie wurden mit dieser Arbeit verifiziert. Reproduzierbare DVH Parameter wurden vorgestellt und ausgewählt, um eine zuverlässige Dokumentation der erhaltenen Dosiswerte zu gewährleisten. Im Sinne von Therapieerfolg und Nebenwirkungen sind weiterführende Studien gefordert, um die Korrelationen und Dosiswirkungsbeziehungen zwischen diesen neu gefundenen DVH Parameter und klinischen Parametern zu analysieren.

Zusammenfassung (Englisch)

Integration of modern 3D imaging to treatment planning concepts for brachytherapy is crucial for applicator reconstruction and critical organ dosimetry. The two major tumor sites breast and cervical cancer were chosen in order to improve the entire brachytherapy treatment planning process. Sparing dose for organs at risk to minimize side effects is as essential as sufficient tumor (target) coverage to achieve adjuvant radiotherapy. In brachytherapy this is even more pronounced, as high dose values are applied with radioactive sealed sources placed inside or close to the target by intracavitary (e.g. tandem ring) or interstitial applicators (flexible multicatheter implant). For treatment planning in cervical cancer the vagina and in breast the skin was recognized and considered in more detail as critical organs at risk. All invented techniques and concepts were compared with historical methods (clinical used) to prove the technological progress. Applicator reconstruction methods based on sectional images (MR or CT) were quality checked by generating the same treatment plans (according to loading pattern and dwell weights / times) created from radiographs (clinical used by now) and compared with dosimetric relevant parameters. Dose volume histogram parameters were preferred to report dose to organs at risk in a more sophisticated way then using classical dose points only.

Despite these improvements, the uncertainties and limitations in brachytherapy were clarified due to the high dose gradient in the vicinity of sources and the spatial resolution, slice thickness or distortion of MR images for delineation, dose calculation, applicator reconstruction or source positioning. Dedicated phantoms were designed and used to additional confirm hypothesis, concepts, methods and results during this work.