Chairs: Tilo Wiezorek (Jena), Ulrich Wolf (Leipzig)
V 41 Neue Entwicklungen in der Bestrahlungsplanung und Dosisberechnung
D. Thorwarth1
1Universitätsklinik für Radioonkologie, Sektion Biomedizinische Physik, Tübingen, Deutschland Einleitung
Durch die technologischen Weiterentwicklungen in der Strahlentherapie in den vergangenen Jahren sind auch an die Bestrahlungs-planung neue Anforderungen gestellt. Möglichkeiten der täglichen Echtzeitbildgebung am Linearbeschleuniger sowie die Integration von funktionellen Bildgebungs-informationen während des Therapieverlaufs erfordern eine mehrfache, evtl. sogar tägliche Neube-rechnung des Bestrahlungsplanes für jeden Patienten.
Material & Methoden
Im Vortrag werden Methoden der Planadaptation bezogen auf multi-modale, funktionelle Bilddaten vor und während der fraktionier-ten Strahlentherapie diskutiert und auf deren Vor- und Nachteile eingegangen. Schwerpunkte hierbei werden die tägliche Re-Planung aufgrund geänderter anatomischer Verhältnisse sein, wie sie beispielsweise im MR-Linac zu erwarten sind sowie die biologisch indivi-dualisierte Bestrahlungsplanung basierend auf funktionellen Bilddaten.
Ergebnisse
Erste Publikationen haben gezeigt, dass in der Zukunft eine massive Automatisierung der Bestrahlungsplanung zu erwarten ist [1-3].
Die automatische Bestrahlungsplanung wird eine zeitoptimierte Berechnung von Dosisplänen erlauben und ist somit eine Hauptvo-raussetzung für die Adaptation der Bestrahlung in Echtzeit, bzw. mit minimaler Latenzzeit. Auch in der Dosisberechnung sind neue Wege erforderlich, um eine schnelle, präzise Simulation der Dosis zu erlauben.
Für die Planung biologisch individualisierter Bestrahlungspläne sind zusätzlich neue Methoden erforderlich, die eine Verschreibung nicht-homogener Strahlendosen basierend auf funktioneller Bildinformation erlauben.
Zusammenfassung
Mit der Weiterentwicklung und weitgehenden Automatisierung der Bestrahlungsplanung in den nächsten Jahren wird die Adaptation von Bestrahlungsplänen auf die aktuelle anatomische Situation und an die biologischen Eigenschaften des Tumors in der Zukunft möglich werden.
Literatur
[1] Heijmen, B.: Fully automated, multi-criterial planning for Volumetric Modulated Arc Therapy – An international multi-center validation for prostate cancer. Radiother Oncol 2018, epub.
[2] Jagt, T.: An automated planning strategy for near real-time adaptive proton therapy in prostate cancer. Phys Med Biol 2018;
63(13): 135017.
[3] Künzel, L.A.: Automatic replanning of VMAT plans for different treatment machines: A template-based approach using con-strained optimization. Strahlenther Onkol 2018, epub.
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V 42 Monte Carlo Simulationen des Dose-Enhancement-Factors (DEF) durch Hsp70-Antikörper funktionalisierte Gold-Nanopartikel bei Röntgenbestrahlung
A. Klapproth1,2, W. Li1, V. Ntziachristos2,3, S. Stangl2, G. Multhoff2
1Helmholtz Zentrum München, ISS, Neuherberg, Deutschland
2Technische Universität München, Fakultät für Medizin, München, Deutschland
3Helmholtz Zentrum München, IBMI, Neuherberg, Deutschland Einleitung
Aus Zellkulturexperimenten ist bekannt, dass Gold-Nanopartikel den Effekt von Strahlentherapie verstärken können. Jüngste Ergeb-nisse legen nahe, dass die Konjugation von Gold-Nanopartikeln mit dem Antikörper cmHsp70.1 die Aufnahmerate in Hsp70-positiven Tumorzellen deutlich erhöhen können. Diese Hypothese soll in naher Zukunft durch Experimente in vivo getestet werden. Die zu erwartende Dosiserhöhung der Röntgenstrahlung soll quantitativ simuliert werden.
Material & Methoden
Anhand von Daten aus entsprechenden in vitro und in vivo Experimenten wird ein mathematisches Modell erstellt, mit dem die zu erwartende Verteilung der Gold-Nanopartikel in den Tumorzellen abgeschätzt werden kann. Mit dem Geant4-DNA Toolkit werden die Auswirkungen der Gold-Nanopartikel auf die verursachten Zellschäden durch Röntgenstrahlen in Abhängigkeit von der Verteilung der Nanopartikel in der Zelle getestet. Berechnet werden die zu erwartenden Schäden an einer oder einigen wenigen Tumorzellen durch die Röntgenstrahlen und die durch Gold-Nanopartikel erzeugten sekundären Elektronen, insbesondere aufgrund des Auger-Effekts.
Die Simulationen werden für unterschiedliche Energiespektren (50kVp, 60kVp, 100kVp) der Röntgenstrahlen und verschiedene Durch-messer (2nm, 10nm, 50nm, 100nm) und Verteilungen der Nanopartikel im Inneren der Zelle durchgeführt. Die Zelle wird als Kugel dargestellt und in sphärische, konzentrische Bereiche unterteilt, die sich durch nur ihren Radius unterscheiden. Durch den Vergleich mit Kontroll-Simulationen ohne Nanopartikel wird der sog. Dose-Enhancement-Factor (DEF) der einzelnen Konstellationen in jedem der Teilbereiche berechnet.
Anhang 1
Abb. 1: Visualisierung des Verfahrens. Die Ergebnisse der Simulation mit einer bestimmten Verteilung von Gold-Nanopartikeln wird mit denen einer äquivalenten Simulation ohne Nanopartikel verglichen.
Ergebnisse
Mit den Ergebnissen aus den beschriebenen Simulationen werden in der Folge die optimalen Parameter für die ersten Experimente mit cmHsp70.1-Antikörper konjugierten Gold-Nanopartikeln an Tumorzellen erarbeitet. Die Geant4-DNA Software ermöglicht das Tracking der Röntgen-Photonen und der sekundären Elektronen zur Berechnung der Strahlendosis und des Elektronen-Spektrums.
Anhang 2
Abb. 2: Ergebnisse einer Simulation mit 107 Röntgenphotonen und einem einzelnen GNP. Eine deutliche Dosiserhöhung der Röntgen-strahlen ist feststellbar. In unmittelbarer Nähe des GNPs ist der DEF für jedes der getesteten Spektren größer als 500 und ist bis zu
einem Abstand von 1µm größer als 10.
Zusammenfassung
Mithilfe von Geant4 basierten Monte Carlo Simulationen und einem mathematischen Modell wird die erwartete Strahlendosiserhö-hung durch Gold-Nanopartikel bei Experimenten mit Röntgenstrahlen ermittelt. Dies schafft eine Grundlage für die anstehende Do-simetrie und ist eine wichtige Basis für die radiobiologische Modellierung.
Literaturverzeichnis
[1] Agostinelli, S., J. Allison, et al. (2003). "GEANT4-a simulation toolkit." Nuclear Instruments & Methods in Physics Research Section a-Accelerators Spectrometers Detectors and Associated Equipment 506(3): 250.
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[3] Chen, Y., J. Li, et al. (2017). "A modified microdosimetric kinetic model for relative biological effectiveness calculation." Phys Med Biol 63(1): 015008.
[4] Gehrmann, M. K., M. A. Kimm, et al. (2015). "Imaging of Hsp70-positive tumors with cmHsp70.1 antibody-conjugated gold nanoparticles." Int J Nanomedicine 10: 5687.
[5] Li, W. B., M. Müllner, et al. (2014). Monte Carlo simulations of dose enhancement around gold nanoparticles used as X-ray imaging contrast agents and radiosensitizers. SPIE Medical Imaging, SPIE.
[3] McMahon, S. J., W. B. Hyland, et al. (2011). "Nanodosimetric effects of gold nanoparticles in megavoltage radiation therapy."
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[6] McNamara, A. L., W. W. Y. Kam, et al. (2016). "Dose enhancement effects to the nucleus and mitochondria from gold nano-particles in the cytosol." Physics in Medicine and Biology 61(16): 5993.
[7] Shevtsov, M. A., B. P. Nikolaev, et al. (2015). "Ionizing radiation improves glioma-specific targeting of superparamagnetic iron oxide nanoparticles conjugated with cmHsp70.1 monoclonal antibodies (SPION-cmHsp70.1)." Nanoscale 7(48): 20652.
[8] Wang, H. and O. N. Vassiliev (2017). "Radial dose distributions from carbon ions of therapeutic energies calculated with Geant4-DNA." Physics in Medicine and Biology 62(10): N219.
[9] Xie, T. W. and H. Zaidi (2013). "Monte Carlo-based evaluation of S-values in mouse models for positron-emitting radionu-clides." Physics in Medicine and Biology 58(1): 169.
[10] Xie, W. Z., W. Friedland, et al. (2015). "Simulation on the molecular radiosensitization effect of gold nanoparticles in cells irradiated by x-rays." Physics in Medicine and Biology 60(16): 6195.
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V 43 Automatic radiotherapy planning using particle swarm optimization
L. Künzel1, S. Leibfarth1, O. Dohm2, D. Thorwarth1
1University Hospital Tübingen, Section for Biomedical Physics, Department for Radiation Oncology, Tübingen, Deutschland
2University Hospital Tübingen, Department for Radiation Oncology, Tübingen, Deutschland Purpose
To investigate the potential of Particle Swarm Optimization (PSO) for automatic planning of VMAT radiotherapy. The aim of this PSO is to formulate an optimal, patient individual optimization problem, i.e. define optimal planning constraints leading to the best achiev-able plan.
Material & Methods
PSO is a statistical optimization technique which uses the knowledge of each particle about its own and the swarm’s maximum to update particle positions for each generation. For automatic planning, a particle is a plan with its position determined as a vector of planning constraints. Particle positions are initialized randomly. A scoring function, based on DVH-points for PTV and priority OARs was established to evaluate plan quality.
The procedure was tested for two prostate cases, with a prescribed PTV-dose of 66 Gy, two rectum and one bladder constraint. N=30 particles were initialized and the PSO executed m=100 generations.
Results
Figure 1 visualizes the minimum, maximum and mean values for constraints and score of each particle generation for case one. All constraints show a shrinking search area with increasing particle generation, while mean constraints stabilize during PSO. The mean plan score increases towards a maximum value (fig. 1d); whereas rectum2 and bladder for case 1 and all constraints in case 2 (data not shown) seem to require more particle generations to reach convergence. The DVHs of the best scoring PSO-autoplan and manual plan of case 1 are comparable (fig. 2).
Conclusion
PSO allows automatic generation of VMAT plans with comparable quality compared to manually optimized plans. However, further research is needed concerning optimization parameters, scoring function and the optimal number of particles and generations to fully explore the potential of PSO for automatic planning.
Appendix 1
Fig.1: Evolution of minimum, maximum und mean constraint values and plan quality score with increasing particle generation m during PSO.
Appendix 2
Fig 2: Comparison of DVHs for manual and PSO-autoplan.
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V 44 Dual-Energy-Computertomographie ermöglicht Dosisberechnung auf Kontrastmittel- angereicherten CT-Aufnahmen
C. Möhler1,2, P. Wohlfahrt3,4, S. Greilich1,2
1Deutsches Krebsforschungszentrum (DKFZ), Medizinische Physik in der Strahlentherapie, Heidelberg, Deutschland
2National Center for Radiation Research in Oncology (NCRO), Heidelberg Institute for Radiation Oncology (HIRO), Heidelberg, Deutschland
3OncoRay – National Center for Radiation Research in Oncology, Faculty of Medicine and University Hospital Carl Gustav Carus, Technische Universität Dresden, Helmholtz-Zentrum Dresden – Rossendorf, Dresden, Deutschland
4Helmholtz-Zentrum Dresden – Rossendorf, Institute of Radiooncology – OncoRay, Dresden, Deutschland Einleitung
Falls bei der Therapieplanung CT-Kontrastmittel (KM) zur Diagnose und Konturierung eingesetzt wird, muss zur Dosisberechnung in der Regel ein weiteres, „natives“ CT-Bild ohne KM aufgenommen werden. Grund dafür ist der Einfluss der hohen Ordnungszahl des im KM enthaltenen Iods. Dieser kann durch den Einsatz von Dual-Energy-CT (DECT) korrigiert werden, was die Planung auf KM-ange-reicherten Bildern ermöglicht.
Material & Methoden
Der Effekt eines gebräuchlichen KM (Imeron® 300, Bracco Imaging Deutschland GmbH) auf die ermittelte Elektronendichte wurde in CT-Bildern (a) einer Verdünnungsreihe in Wasser und (b) von 7 Hirntumorpatienten gemessen. Mit einem Somatom Definition Flash DECT-Scanner (Siemens Healthineers), ausgestattet mit zwei Röntgenröhren, wurden Bilder im 120 kVp Single-Energy-CT (SECT) Mo-dus (nur a) und 80/140Sn kVp DECT-MoMo-dus (a und b) aufgenommen. Bei den Patienten (b) wurde jeweils ein Scan mit und ohne KM durchgeführt. Elektronendichte-Bilder wurden für SECT mit einer Hounsfield-Lookup-Tabelle und für DECT mit der Software Syngo.CT Rho/Z (Siemens Healthineers) erstellt.
Ergebnisse
Bei der Verdünnungsreihe (a) führte der Einfluss des KM in den 120 kVp Bildern zu einer Überschätzung der Elektronendichte von 5-10% bei typischer Anreicherung (maximal 6 mg Iod/ml). Diese Verfälschung konnte durch den Einsatz von DECT auf unter 1% begrenzt werden. Bei den Patienten (b) betrug die mittlere Differenz zwischen den 120 kVp-äquivalenten Nativ- und KM-Bildern im Ganzhirn 1.5-4.4%, die entsprechende Differenz in den Elektronendichte-Bildern nur 0.2-0.6% (Abb. 1).
Zusammenfassung
Der Einfluss von KM auf die Elektronendichte kann mittels DECT auf unter 1% reduziert werden. Dies ermöglicht den Verzicht auf einen zusätzlichen nativen Scan und somit eine Vereinfachung des klinischen Workflows und eine Reduktion der Strahlendosis auf die Hälfte.
Anhang 1
Abb.1: Exemplarische axiale CT-Schnitte eines Hirntumorpatienten. Sichtbare Unterschiede in den 120 kVp-äquivalenten Bildern (oben) auf Grund von KM-Anreicherung verschwinden in der Elektronendichte (unten).
V 45 Evaluations of the dosimetric impact of interplay effect during lung SBRT
J. Koppens1, S. Esmaeili1, T. S. Stelljes1, B. Poppe1, H. K. Looe1
1Medical Campus Pius Hospital, Carl von Ossietzky University, Oldenburg, University Clinic for Medical Radioation Physics, Oldenburg, Deutschland
Introduction
The interaction of plan modulation and tumor motion (interplay effect) during hypofractionated stereotactic body radiation therapy (SBRT) of lung tumors can result in clinical significant deviation of the target’s dose coverage. In this work, the dosimetric impact of interplay effect was assessed under clinical settings. The aim is to identify critical scenarios, based upon which adequate clinical strat-egies can be derived.
Materials & Methods
4D CT-image sets of eight patients were studied. Volumetric arc-therapy (VMAT) plans with different complexities, dose prescriptions and fractionation schemes were created using the ITV-concept (Fig. 1a). The gantry modulation of each plan was logged at the linac and this information was used to decompose the original plan into 10 partial plans matching the 10 respiratory phases of the 4D-CT.
The partial dose distributions were calculated in the TPS using the corresponding CT phases (Fig. 1b). They were then imported into an open-source software (OpenREGGUI), where deformable image registrations of the 4D-CT against the planning-CT was performed.
Using the individual transformation matrices, the corresponding partial dose distributions were warped back to the planning-CT and accumulated (Fig. 1c).
Results
The warped and accumulated dose distributions showed to some degree deteriorated dose coverage of the target volume compared to the original plans (Fig. 1d). As anticipated, the deviations were stronger at the superior and inferior edges of the target volumes.
Larger deviations were observed for treatment plans prescribed at lower isodoselines due to the steeper dose gradients within the target volumes.
Summary
Interplay effect has been shown to deteriorate the expected dose coverage of the tumor volumes and possible critical scenarios have been identified. Based on these results, treatment concepts can be adapted to warrant the robustness of treatment plans against interplay effect.
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V 46 Nicht-rigide Bildregistrierung zur Analyse lymphogener Metastasierungsmuster
M. Düsberg1, K. J. Borm1, J. Voppichler2, M. Oechsner1, J. J. Wilkens1, S. E. Combs1,3, M. N. Duma1
1Klinikum rechts der Isar, Technische Universität, Klinik und Poliklinik für RadioOnkologie und Strahlentherapie, München, Deutschland
2Technische Universität, Fakultät für Medizin, München, Deutschland
3Helmholtz Zentrum München, Institut für innovative Strahlentherapie (iRT), Neuherberg, Deutschland Einleitung
Ziel dieser Arbeit ist eine Verbesserung des Verständnisses lymphogener Metastasierungsmuster beim primären Mammakarzinom.
Zu diesem Zweck sollen auf FDG-PET basierende Konturdaten vieler Patientinnen auf einer Patientenanatomie unter Einsatz nicht-rigider Bildregistrierung vereint werden.
Material & Methoden
Für ein Kollektiv von 235 Patientinnen wurden FDG-/-PET-CT Bilddaten in die Planungssoftware Eclipse 13.0 (Varian Medical Systems) importiert und alle malignitätssuspekten Lymphknoten konturiert. Alle konturierten Lymphknoten wurden mittels rigider und nicht-rigider Bildregistrierungstechniken auf einen Patienten (= Referenzanatomie) transformiert. Dieser Vorgang erfolgte automatisiert in MATLAB 2017b (MathWorks) unter Einsatz des multi-stage B-Spline Algorithmus aus dem Open-Source Framework plastimatch. Eine Validierung der Ergebnisse erfolgte durch erfahrene Strahlentherapeuten durch visuelle Prüfung von Form und Lokalisation der de-formierten Konturen.
Ergebnisse
580 der 601 konturierten Lymphknoten konnten mit der Methodik erfolgreich auf die Referenzanatomie transformiert werden. Für die transformierten Lymphknoten ergab sich ein durchschnittliches Volumen von 1.7±2.6cm3 und ein Durchmesser von 1.3±0.7 cm.
Ein Aufsummieren binärer Masken der Strukturen ermöglicht eine quantitative Darstellung der Verteilung der Lymphknotenmetasta-sen wie in Abb. 1 gezeigt.
Zusammenfassung
Der implementierte Algorithmus ermöglichte es, einen FDG-/-PET-CT basierten Lymphknotenatlas zu generieren. Die Ergebnisse könn-ten als Basis für weitere Studien, beispielsweise für die Evaluation bestehender Bestrahlungskonzepte dienen und so zu einer Verbes-serung der Strahlentherapie der Lymphabflusswege führen.
Anhang 1
Abb. 1: Räumliche Verteilung der transformierten Lymphknoten: Binäre Masken der Lymphknoten-Strukturen wurden erstellt und aufsummiert. Rote Bereiche kennzeichnen errechnete “hot spots” für das Auftreten von Lymphknotenmetastasen.