Dokument: Evaluation intrakranieller radiochirurgischer Bestrahlungspläne mittels dedizierter Qualitätsindizes und Analyse rekalkulierter Dosisexpositionen unter Berücksichtigung der Positionierungsgenauigkeit
| Titel: | Evaluation intrakranieller radiochirurgischer Bestrahlungspläne mittels dedizierter Qualitätsindizes und Analyse rekalkulierter Dosisexpositionen unter Berücksichtigung der Positionierungsgenauigkeit | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=53162 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20200508-123123-8 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Deutsch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Fielitz, Oliver [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Görlitz, Axel [Gutachter] Univ. Prof. Dr. med. Budach, Wilfried [Gutachter] | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik | |||||||
| Beschreibungen: | Einzelne Komponenten der intrakraniellen stereotaktischen Radiochirurgie (SRS) wurden unter dem Aspekt der geometrischen Präzision analysiert. Sie beinhalten den Linearbeschleuniger (Linac), einem TrueBeam STx (Varian Medical Systems, Palo Alto, USA) und das Patientenpositionierungssystem (ET) sowie das Bestrahlungsplanungssystem (TPS). TPS konnten einzelne Zielvolumen sowohl isozentrisch bestrahlen, als auch die Möglichkeit bieten, multiple Metastasen simultan mit einem Isozentrum zu behandeln. Zur Evaluation der Maschinenkomponenten wurde zum einen auf die Ergebnisse der klinikinternen Qualitätssicherung (QA) zurückgegriffen und diese ausgewertet, zum anderen wurden eigene Verfahren entwickelt, um detailliertere Informationen über das Maschinenverhalten zu erlangen. Im Fokus der Messungen zum Linac lag die Abschätzung der Isozentrumsgröße und die Fokussierung von Objekten, die nicht im Zentralstrahl lagen. Die Einstrahlrichtung wurde variiert. Es konnte eine mittlere Isozentrumsgröße von statisch (0,37\pm0,03) mm und dynamisch von (0,30\pm0,01) mm berechnet werden. Für nicht isozentrische Targets stieg die Unsicherheit der Fokussierung von (0,32\pm0,16) mm auf (0,71\pm0,44 mm an und war abhängig von der Distanz zum Isozentrum.
Die Analyse des Patientenpositionierungssystems ExacTrac X-Ray und ExacTrac Robotics (Brainlab, München) ergab eine relative Ungenauigkeit von (0,14, 0,11, 0,16) mm und (0,12, 0,13, 0,12)° für die laterale, longitudinale und vertikale Translation sowie pitch, roll und jaw der Rotation. Eine Auswertung aller verwendeten Tischwinkel (TW) ergab eine maximale Unsicherheit für 95% der Positionierungen von delta_{r}=0,74 mm. Basierend auf delta_{r} konnte in Verbindung mit den Aktionsschwellen für die Korrektur der Rotationsachsen ein Unsicherheitsparameter in Abhängigkeit der Distanz von Zielvolumen zu Isozentrum definiert werden delta_{r}(t). Die delta_{r} fanden Anwendung in der Evaluation von Bestrahlungsplänen. Es wurden die dedizierten Qualitätsindizes (QI) zur Beschreibung der Dosisexposition von PTV aus 100 SRS Fällen ausgewertet und zum anderen 33 SRS von Personen mit multiplen Metastasen. Es konnte gezeigt werden, dass ein hohes Maß an stereotaktischer Präzision gegeben war und PTV konformal und mit einem starken Dosisgradienten erfasst wurden. Unter Zuhilfenahme der delta_{r} konnte ein neuer CI(r) definiert werden, der eine Margin angab. Konformitäten mit einem CI innerhalb dieser Margin galten als stereotaktisch anwendbar. Des Weiteren wurden alle Bestrahlungspläne unter Berücksichtigung der Lagerungsungenauigkeit jedes TW während der Applikation rekalkuliert und erneut ausgewertet. Es konnte gezeigt werden, dass die bestehenden Aktionsschwellen des ET ausreichend rigide waren, um eine Verschlechterung in der GTV Erfassung zu verhindern. In einem Vergleich von isozentrischer zu nicht isozentrischer Planung multipler Metastasen konnte festgestellt werden, dass das TPS für nicht isozentrische Bestrahlungen unter dem Aspekt der Konformität (CI) und des Gradienten (GI) gegenüber der isozentrisch geplanten Fälle dominierte. Bei nicht isozentrischen Plänen war keine Volumenabhängigkeit zu beobachten. Das hohe Maß an Konformität wurde durch die CI(r) bestätigt und es konnte eine Abnahme des CI mit steigender Entfernung zum Isozentrum erkannt werden. Die Resthirnbelastungen stiegen proportional mit dem Volumen der PTV an und es konnte eine niedrigere Belastung für isozentrisch geplante PTV berechnet werden. Die Erfassung der PTV wich in vielen Fällen von den geplanten Zielvorgaben des TPS ab. Die Abweichungen war für isozentrische SRS geringer als bei Bestrahlungsplänen multipler Metastasen, die mit einem Isozentrum gerechnet worden sind. Abweichungen in der Erfassung konnten mit verschiedenen unabhängigen Berechnungen reproduziert werden. Die Vermutung der Ursache im Exportverhalten des TPS konnte nicht ausgeschlossen werden. Im Allgemeinen ist festzuhalten, dass die geforderte Präzision zur Durchführung von SRS an dem untersuchten Bestrahlungssystem realisiert wurde. Die ermittelten Maschinenungenauigkeiten unterschritten die geltenden Grenzen deutlich. Es war möglich, Restunsicherheiten in der Patientenpositionierung für die Qualitätssicherung der Bestrahlungspläne zu nutzen und neue Bewertungsverfahren für die CI zu ermitteln. Darüber hinaus boten die selbstentwickelten Auswerteprogramme zur Evaluation von Dosisexpositionen der Zielvolumen die Möglichkeit, die Auswirkungen von Fehlpositionierungen des Patienten bei jedem Tischwinkel abzuschätzen und über alle Bestrahlungsbögen summierte Dosisverteilung zu konstruieren. Ein Vergleich von isozentrischen zu nicht isozentrisch geplanten Fällen multipler Metastasen zeigte deutlich höhere Konformitäten und einen stärkeren Dosisabfall für nicht isozentrische Fälle.The aim of this thesis was to analyze geometry elements of quality assurance (QA) of stereotactic radiosurgery (SRS) with focus on the highest degree of precision. Various aspects of hardware and software can cause uncertainties in dose exposure of single isocenter SRS or multiple metastases single isocenter SRS. Small field accuracy as well as the size and position of the isocenter were analyzed using machine performance check (MPC) of the TrueBeam STx (Varian Medical Systems, Palo Alto, USA). The MPC tests were compared to MATLAB scripts developed in-house based on the Winston-Lutz-test to estimate the characteristics of the isocenter. Uncertainties in the linac isocenter were (0,37\pm0,03) mm for static measurements and (0,30\pm0,01) mm using dynamic gantry positions. The accuracy of focusing non-isocentric targets decreased in relation to distance from (0,32\pm0,16) mm to (0,71\pm0,44) mm. Patient setup was realized and verified using the frameless ExacTrac System (ExacTrac X-Ray and ExacTrac Robotics (Brainlab, Munich)). Analysis of ExacTrac (ET) accuracy produced random errors in shiftingon a lateral, longitudinal, vertical level (0,14, 0,11, 0,16) mm and in pitch, roll, jaw level (0,12, 0,13, 0,12)°. More than 500 couch angles (TW) of patients with cranial lesions were used to create a parameter of uncertainty delta_{r}=0,74 mm, which include translational errors of 95% of all TW. In combination with the thresholds of ET delta_{r} produced another uncertainty parameter delta_{r}(t) which was depending of setup errors and the distance between planing target volume (PTV) and isocenter. 100 patients treated with SRS having a single cranial lesions and 33 patients with multiple metastases were analyzed using an in-house MATLAB script. Each treatment plan was imported and dose exposures of PTV were calculated using dedicated quality indices (QI). It was determined that most of the plans showed a conformal exposure of the PTV using a conformal index (CI) and a strong dose gradient represented by gradient index (GI). CI and GI did comply with standards for cranial SRS. As expected a common dependence between CI and PTV was shown. Nevertheless CI is one of the most popular criteria of plan evaluation. In order to estimate if the conformity of a target with certain volume fullfills SRS requirements, new volume-depending CI(r) based on \delta_{r} were created. Although most of the CI were find in the margin of CI(r) some plans had CI lower than minimum level of CI(r), due to shapeless PTV anatomy or dose volumes with elliptical shape. Furthermore it was possible to use the ET verification data to transform the dose application of each TW of every treatment plan and after that new plans with a shifted dose exposure of the PTV were analyzed. It was proven that the actual thresholds of ET are sufficiently rigid and hardly any reduction of GTV coverage was found. A comparison between multi isocenter and single isocenter treatment plans of patients having multiple metastases suggested two advantages of single isocenter plans over multi isocenter plan: First, single isocenter plans showed a greater cinfrmity as CI(r) confirmed. No volume-depending behavior of CI was found, although a dependence between CI and PTV distance to isocenter was detected. Second, a steep dose gradient was observed. V_{D} were used to evaluate the normal tissue irradiation and thus to estimate the risk of radiation-indicated radiation necrosis. While V_{D} increased linearly to PTV, it was less steep for SRS with multiple isocenters, because of lower PTV margins of 1 mm. The coverage of PTV deviated from the prescription of TPS. Errors indicated by the treatment plan export could not ruled out. Based on the results of this thesis, all analyzed treatment planning systems (TPS) have shown high degree of quality performing stereotactic radiosurgery using a TrueBeam STx in combination with ExacTrac. Linac-specific measurements like the Winston-Lutz-test have shown values well lower than the required accuracy. The newly introduced CI(r) provided the opportunity to evaluate the conformity of PTV considering its volume. The in-house developed MATLAB scripts were able to independently describe the exposure of PTV and it was possible to show how setup errors influenced target volumes. When treating multiple metastases, single isocenter irradiation showed greater QI compared to multiple isocenter SRS, although there was a higher V_{D} detected. | |||||||
| Lizenz: |  Urheberrechtsschutz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik | |||||||
| Dokument erstellt am: | 08.05.2020 | |||||||
| Dateien geändert am: | 08.05.2020 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 17.02.2019 | |||||||
| Datum der Promotion: | 17.02.2020 |
