Kurzfassung
Die Therapie bösartiger Tumoren wird in Zusammenarbeit verschiedener Fachdisziplinen durchgeführt. Eine wichtige Säule stellt die Strahlentherapie dar. Zur Planung einer Strahlentherapie ist eine möglichst exakte Bildgebung mittels Computertomographie (CT) erforderlich, um zum einen die Organe und Zielvolumina zu definieren und zum anderen die für die Dosisberechnung relevanten Elektronendichten zu messen. Während der Computertomographie aber auch während der Bestrahlung kann es durch Organbewegungen, wie die Atmung, zu Ungenauigkeiten kommen: Bei der CT können bewegungsinduzierte Effekte Einflüsse auf die Bildqualität und die errechneten Hounsfield-Units (HU) haben und so die Grundlage der Dosisberechnung und Diagnostik erheblich stören. Während der Bestrahlung können insbesondere beim Einsatz von hochkonformalen Bestrahlungstechniken wie helikaler TomoTherapy oder VMAT Einflüsse auf die Dosisverteilung bestehen. In dieser Arbeit wurde auf Basis von gemessenen Atembewegungen und Atemmustern eine 4D-Bewegungsplattform konstruiert und evaluiert. Die Bewegungsplattform wird durch drei linear unabhängige Linearmotoren angetrieben, welche computergesteuert frei programmierbare Trajektorien simulieren können. Mit ihrer Hilfe wurden dann modellhafte und real vorkommende Bewegungsmuster simuliert und der Einfluss auf die einzelnen Schritte gemessen und diskutiert. Zur Bestimmung der Bildqualität der CT wurden verschiedene Phantome konfektioniert zum einen auf Basis der realen Patientenanatomie und zum anderen zur Bestimmung des Auflösungsvermögens feiner Strukturen. Ferner wurden Phantome mit verschiedenen Materialien bestückt zur Messung der Konstanz der Hounsfield-Units. Als Messgeräte für die Dosisverteilung bei der Bestrahlung wurden vor allem Dosimetriefilme (GafChromic EBT3) und Diodenarrays (ArcCHECK) verwendet. Der experimentelle Aufbau wurde zunächst mit Messungen in unbewegtem Zustand des Phantoms überprüft. Dann wurden entsprechende Bewegungsmuster simuliert. Die Auswertung der Messungen der Bildqualität erfolgt mittels Analysen der DICOM-Bilder und des Signal-Rausch-Verhältnisses. Ferner wurde die Konstanz der Hounsfield-Units gemessen. Die GafChromic-Filme wurden mittels MATLAB in Dosismatrizen umgerechnet und mit statischen Messungen verglichen. Neben der Eignung der Plattform für Messungen in der Strahlentherapie eignet sie sich auch zur Schulung von Personal für den komplexen 4D-Workflow und zur Qualitätssicherung des 4D-Workflows. Ohne die Verwendung von 4D-CTs führen selbst kleinere Bewegungen zu größeren Artefakten bei der CT. Unter Verwendung von 4D-CT-Technik können Artefakte der Bewegung wirkungsvoll reduziert werden, wenn die Atembewegung des Patienten und die Einstellungen des Scanners optimal korrespondieren. Auftretende Artefakte und Interpolationseffekte werden gezeigt. In einer Phantomstudie werden ferner die Effekte von Bewegungen auf die Dosisverteilung untersucht. Unter Beachtung der Bewegungen im Rahmen der Vorgaben des Internal Target Volumes (ITV), zeigten sich für TomoTherapy und RapidArc gleichsam den Verschreibungskriterien weiterhin entsprechende Dosisverteilungen im kritischen Gross Tumor Volume (GTV). Irreguläre Atemmuster wie Husten werden simuliert und die auftretenden Effekte und Unterdosierungen gezeigt.
The treatment of malignant tumors is typically done interdisciplinary (surgery, radiation therapy, chemotherapy and immunotherapy). Radiation therapy is an important therapy option. To perform treatment planning exact imaging using CT is necessary in order to delineate organs at risk and target volumes as well as to measure electron densities for dose calculation. During CT but also during radiation therapy, organ movements such as breathing can lead to severe inaccuracies: Considering CT, motion-induced effects can have an impact on the image quality and the calculated Hounsfield Units (HU) and thus significantly disturb the basis of dose calculation and diagnostics. During the treatment, the use of highly conformal radiation techniques such as helical tomotherapy or VMAT may have an impact on the dose distribution. In this work, a 4D motion platform was constructed and evaluated based on measured breathing motions and breathing patterns. The motion platform is driven by three linearly independent linear motors, which can simulate programmable trajectories under computer control. Model-based and real-life motion patterns were simulated and the influence on the individual steps measured and discussed. To determine the image quality of the CT, various phantoms were developed based on the patient anatomy and for the evaluation and the image resolution of fine structures. Furthermore, phantoms were equipped with various materials to measure the constancy of the Hounsfield units. Dosimetry films (GafChromic EBT3) and diode arrays (ArcCHECK) were mainly used as measuring devices for dose distribution during irradiation. The experimental setup was first checked with measurements of the phantom with no motion. Then corresponding motion patterns were simulated. The evaluation of image quality measurements is carried out by analyzing the DICOM images and the signal-to-noise ratio. The constancy of the Hounsfield Units was also measured. The GafChromic films were converted into dose matrices using MATLAB and compared with static measurements. In addition to the suitability of the platform for measurements in radiation therapy, it is also suitable for training staff for the complex 4D workflow and for quality assurance at the 4D workflow. Without the use of 4D CT, even small movements lead to larger imaging artifacts in the CT. Using 4D-CT technology, artifacts of movement can be effectively reduced if the patient's breathing movement and the settings of the scan correspond optimally. Artifacts and interpolation effects are shown. In a phantom study, the effects of movements on the dose distribution are examined as well. Taking into account the movements within the specifications of the ITV, dose distributions fitting the prescribed ranges in the critical GTV were found for TomoTherapy and RapidArc. Irregular breathing patterns such as coughing are simulated and the occurring effects and underdosing are shown.