Neue Ansätze zur Erweiterung der Optimierung von Dosisverteilungen bei intensitätsmodulierter Strahlentherapie (IMRT) : Die Einstrahlrichtungen von Photonenstrahlenfeldern und die Intensität energiemodulierter Protonenstrahlenfelder

Abstract

Die intensitätsmodulierte Strahlentherapie eröffnet der Bestrahlungsplanung von Tumorerkrankungen eine Vielzahl von Freiheitsgraden. Durch eine geeignete Modulation der Fluenzprofile der Strahlenfelder wird die Bestrahlung kompliziert geformter Zielvolumina (ZV), die Bildung steiler Dosisgradienten und damit die relativ einfache Schonung von umliegenden gesunden Gewebe ermöglicht.

Der Schluss liegt nahe, das eine weitere Erhöhung der Freiheitsgrade zu weiterer Verbesserung der Dosisverteilungen führen könnte. Diese Frage wurde zum Einen anhand der Entwicklung eines Algorithmus zur Bestimmung optimaler Einstrahlrichtungen für Photonenstrahlenfelder untersucht.

Des weiteren ergeben sich unter Verwendung von Protonenstrahlung durch die energieabhängige Tiefenlokalisation des Bragg-Maximums mit der Modulation der Energie der Protonen weitere Freiheitsgrade. Ein Protonendosisberechnungsalgorithmus wurde entwickelt und in einem ursprünglich für Photonenmodulation ausgelegten Fluenzoptimierungsalgorithmus integriert. Dies erst erlaubt eine zulässige Validierung der derzeit stark diskutierten Protonentherapie im Vergleich zu konventionellen Photonenstrahlung.

Der hier entwickelte Richtungsoptimierer für Photonen-IMRT ist ein entscheidendes Kriterium in der Abschätzung des Potenzials unterschiedlicher Strahlenqualitäten und Strahlenarten.

Die Grundaufgabe der Richtungsoptimierung von Photonenfeldern kann in der effizienten Auflösung von Konflikten zwischen den Zielvorgaben der Bestrahlung des Tumorvolumens und den gegeben Randbedingungen gesehen werden. Konflikte treten auf, wenn Dosis-Restriktionen in den Risikoorganen (RO) eine Dosisverminderung im ZV erzwingen. Sie sind hauptsächlich bedingt durch die Patientenanatomie bzw. die Geometrie der in der Optimierung verwendeten Lagrangefunktion, welche die Dosisverschreibung im ZV bzw. Nebenbedingungen auf RO beinhaltet.

Der Algorithmus konstruiert sequenziell eine anfängliche Konfiguration. Passende Einstrahlrichtungen werden jeweils zu einer gegebenen Konfiguration hinzugefügt. Zwischen jeder Suche müssen die Fluenzprofile der Einstrahlrichtungen bestimmt werden. In einer zweiten Stufe werden die Einstrahlrichtungen, die in der fortlaufenden Entwicklung weitgehend redundant wurden, durch verbessernde Einstrahlrichtungen ausgetauscht.

Der Algorithmus reduziert auf diese Weise sukzessive die Konfiguration auf relevante Einstrahlrichtungen, die sowohl einen hohen Beitrag zur Bestrahlung des ZV haben als auch geeignete Fluenzprofile zur Lösung der auftretenden Konflikte bereitstellen.

Das Abbruchkriterium wird in einer Entartungsschwelle, also der Anzahl von Feldern erkannt, ab welcher weitere Einstrahlrichtungen keine Verbesserung des Planes bewirken. Eine solche Konfiguration ist zu dem globalen Optimum äquivalent.

Unter Verwendung dieses Algorithmus wurden verschiedene Testfälle geplant. Es konnte gezeigt werden, dass unter moderaten Nebenbedingungen schon wenige richtungsoptimierte Einstrahlrichtungen zur Erfüllung des Planungsziel ausreichten. Wurden die Nebenbedingungen verschärft, erzielten richtungsoptimierte Pläne weitaus bessere Ergebnisse als eine Vielzahl koplanarer, gleichverteilter Einstrahlrichtungen.

Die Planung von Protonenstrahlungsfeldern eröffnet weitere Freiheitsgrade hinsichtlich der Energievariation des Strahlungsfeldes. Bestrahlungspläne wurden unter Berücksichtigung des Spot-Scanning-Verfahrens, das am Paul Scherrer Institut in Villigen (Schweiz) eingesetzt wird, optimiert. Hier können einzelne Protonen-Nadelstrahlen sowohl in der Position senkrecht zur Einstrahlrichtung als auch in der Energie variiert werden.

Die mit Protonen erzielbaren Dosisverteilungen werden im Allgemeinen als den Ergebnissen von Photonenfeldern überlegen erachtet. In einem direkten Vergleich wurden die Testfälle der richtungsoptimierten Pläne den Plänen nach dem Spot-Scanning Verfahren gegenübergestellt. Es konnte gezeigt werden, dass die dabei erzielten Dosisverteilungen unter klinisch relevanten Nebenbedingungen hinsichtlich der Dosis im ZV äquivalent sind. Auch unter Verschärfung der Nebenbedingungen konnten die richtungsoptimierten Photonenfelder in den meisten Fällen den Protonen entsprechende Dosisverteilungen erzielen. Dies gilt insbesondere, wenn ZV und RO nicht überlappen, oder die Abstände der Volumina nicht zu klein werden.

Das weist darauf hin, dass mit einer geeigneten Zielvolumendefinition fluenzmodulierte Photonenstrahlenfelder zur Umsetzung des klinischen Zieles ausreichen, sofern sämtliche Freiheitsgrade, also auch die Bestimmung optimaler Einstrahlrichtungen, in die Planung einbezogen werden.

Intensity Modulated Radiotherapy (IMRT) offers several degrees of freedom to the treatment-planning of tumour deseases. The modulation of fluence profiles facilitates the irradiation of irregularly formed target volumes (TV), the development of steep dose-gradients and hence an optimum sparing of healthy tissue (OARs - Organs at risk).

The question arises if the dose distributions could be further enhanced by increasing the degrees of freedom. This was examined by developing an algorithm for optimising beam orientations of photon IMRT configurations. Further degrees of freedom can be achieved using proton radiation, because of the energy-dependant localisation of the charactersitic depth-dose maximum (Bragg-Peak) by modulating the energy of proton fields. An algorithm for calculating dose distributions of proton radiation was developed and integrated into an algorithm formerly designed for optimising photon fluence profiles. . This offers a crucial criterion for the assessment of different radiation qualities especially concerning the recently controversely debated Proton-therapy.

The main task for beam direction optimisation of photon-beams can be seen in the efficient resolution of conflicts between the goal of irradiation of the TV and the given constraints on OARs. Conflicts emerge if dose-restrictions to OARs force underdosage of the TV. They are caused by the patients anatomy or the geometry of the objective function, respectively.

The algorithm used in this work sequentially develops an initial configuration. Appropriate beam directions are added to a given configuration. In a second step beam directions which became redundant are replaced iteratively by beam directions improving the plan.

The algorithm reduces the configuration to relevant beam directions which contribute highly to the irradiation of the TV and the resolution of occuring conflicts. The criterion for an optimum configuration is seen in the threshold of degeneracy of a plan, i.e. if by adding another beam no further improvement of the plan can be achieved. Such a configuration is equivalent to the global optimum.

Several test cases were planned utilising this algorithm. It could be shown that using moderate constraints the clinical target could be achieved employing a few well set beam directions. When applying more stringent constraints on OARs beam direction optimised plans obtained far better results than a high number of coplanar equispaced beam directions.

Planning proton-beams offers further degrees of freedom because of the possible energy variation of the incident field. Treatment planning of proton beams was optimised according to the method of Spot-Scanning developed by the Paul Scherrer Institute in Villigen/Switzerland. The dose distribution achieved by proton-beams are usually considered advantageous to the results of photon beams. The test cases planned with beam direction optimised photon beams were compared to the treatment plans of energy- and intensity modulated proton-beams. It could be shown that the achieved dose distributions concerning the TV were equivalent under clinically relevant constraints. Even when employing more stringent constraints, the beam direction optimised plans could achieve dose distributions comparably to the proton beams in most cases. This could be shown particularly, if the TV and OARS were not overlapping or the distances between this volumes were not too small. This points out that employing an appropriate definition of the TV, fluence modulated photon beams are sufficient for realising the clinical target, provided all degrees of freedom are exploited. This includes the determination of optimum beam directions into the planning process.