Implementierung der Intensitätsmodulierten Strahlentherapie mit Elektronen

Abstract

In der Strahlentherapie wurden die zur Feldformung eingesetzten Absorber durch Lamellenkollimatoren (MLC) ersetzt. Neben den ökonomischen Vorteilen haben sie die Einführung neuer Bestrahlungstechniken ermöglicht, bei denen das therapeutisch behandelte Volumen durch eine Intensitätsmodulierte Strahlentherapie (IMRT) deutlich gezielter an das Tumorvolumen angepasst wird. Allerdings ist eine IMRT nur mit Photonenstrahlung durchführbar und kann nicht unter Einsatz des MLC auf Elektronenstrahlung erweitert werden. Die physikalischen Eigenschaften von Elektronen erfordern eine andere Lamellenkonstruktion sowie einen kleineren Abstand des MLC zur Patientenoberfläche. Wäre aber ein spezieller MLC für Elektronen (EMLC) verfügbar, könnten die sonst nur mit Protonen erzielbaren tiefenkonformalen Dosisverteilungen alternativ auch mit Elektronen erzeugt werden. Das Ziel dieser Arbeit bestand deshalb darin, das IMRT-Verfahren auf Elektronen auszuweiten. Es sollte dabei nicht nur die Machbarkeit gezeigt, sondern auch der klinischen Forschung eine erste Bestrahlungstechnik bereitgestellt werden. Hierzu wurde ein computergesteuerter EMLC konstruiert und in Kooperation mit einer auf Lamellenkollimatoren spezialisierten Firma angefertigt. Der erste EMLC-Prototyp und die damit erzielten experimentellen Ergebnisse zur Lamellen-Strahlformung sowie eine interdisziplinäre Zusammenarbeit mit dem Mathematischen Institut der Universität Rostock und der Industrie (Euromechanics, Siemens, Philips) haben die Entwicklung, Umsetzung und Ausführung einer neuen Bestrahlungstechnik mit Elektronen ermöglicht. Es konnte gezeigt werden, dass mittels eines Programms zur Optimierung der Einstrahlrichtung, Strahlintensität und Strahlenergie die Erzeugung tiefenkonformaler Dosisverteilungen mit Elektronen technisch realisierbar ist. Im Vergleich zu einer konventionellen Bestrahlung oberflächennaher Tumoren gestatten tiefenkonformale Dosisverteilungen eine deutlich bessere Schonung des tiefer gelegenen gesunden Gewebes sowie ein höheres Maß an Konformalität zwischen dem bestrahlten und dem zu behandelnden Volumen. Die neue Bestrahlungstechnik konnte hinsichtlich ihrer Durchführbarkeit einer Dosisapplikation von Bestrahlungsplänen sowie einer genauen Dosisberechnung auch bei Vorhandensein von Inhomogenitäten erfolgreich überprüft werden. Somit steht im Ergebnis dieser Arbeit die IMRT mit Elektronen der klinischen Forschung insbesondere zur Therapie von Brustkrebs zur Verfügung.

In radiation therapy, multi-leaf collimators (MLC) have been developed as substitutes for field shaping block absorbers. In addition to the economic advantages, they have facilitated the implementation of new irradiation techniques by which the treated volume is distinctly more closely adapted to the tumour volume using intensity-modulated radiation therapy (IMRT). How\-ever, IMRT is limited to photon beam therapy, as it cannot be extended to electrons using the same MLC. The physical characteristics of electrons require a different leaf design and smaller distance of the MLC to the patient surface. If a specific MLC for electrons (EMLC) were available, some therapeutic benefits such as depth-conformal dose distributions, which are commonly associated with protons, could also be achieved using electrons, taking advantage of the different beam energies of widely available medical linear accelerators. The overall goal of the present thesis was therefore to expand the IMRT approach to electrons in order to not only demonstrate its feasibility, but also to provide radiation oncologists with a new electron beam technique that can be introduced into clinical research. For this purpose, a new computer-controlled EMLC was designed and then constructed in cooperation with an add-on MLC manufacturer. The first prototype EMLC and the resulting experimental investigations with leaf-shaped electron beams as well as an interdisciplinary collaboration with the Mathematical Institute of the University of Rostock and the industry (Euromechanics, Philips, Siemens) have enabled the participants to design, develop and perform a first electron IMRT irradiation technique. It could be demonstrated that optimization of the incidence angle, intensity and energy of electron beams achieves depth-conformal dose distributions. For treatment of near-surface cancers, depth-conformal dose distributions allow for significantly better sparing of underlying healthy tissue as well as a high level of conformity between treated volume and tumour volume compared to conventional irradiation. The new electron beam technique was examined in terms of dose delivery of entire treatment plans and dose calculation, even in presence of inhomogeneities. The presented electron IMRT approach can therefore readily be introduced into clinical research, in particular for the treatment of breast cancer.