Analyzing the modulation effects of lung tissue in proton therapy

Nicht-kleinzelliger Lungenkrebs ist weltweit die häufigste krebsbedingte Todesursache. Darüber hinaus ist anzunehmen, dass die Inzidenz und Mortalität aufgrund von Rauchen, der zunehmenden Umweltverschmutzung und der alternden Bevölkerung zunehmen wird. Für Patienten, die sich keiner Operation unterziehen können, sind entsprechende Strahlentherapiekonzepte notwendig. Aufgrund der Nähe von Risikoorganen wie dem Herzen, der Speiseröhre, der Luftröhre, größerer Blutgefäße und dem Rückenmark, ist eine Dosiseskalation im Tumor mit der photonenbasierten Strahlentherapie nicht immer möglich. Die Bestrahlung mit Protonen hat das Potenzial, eine konformale Dosis im Zielvolumen zu applizieren und gleichzeitig umliegendes Normalgewebe besser zu schonen. Es ergeben sich jedoch einige Herausforderungen im Zusammenhang mit der Protonentherapie im Allgemeinen und der Protonentherapie von Lungenkrebs im Besonderen. Eine dieser Herausforderungen ergibt sich aus der Struktur des Lungengewebes selbst: Aufgrund der mikroskopischen Dichteheterogenität kommt es zu einer Modulation der Tiefendosiskurve was einen verbreiterten Bragg Peak und einen größeren distalen Dosisabfall zur Folge hat. Dieser Modulationseffekt kann die Dosisverteilung bei Patienten signifikant beeinflussen, was potentiell zu einer niedrigeren Dosis im Zielvolumen und einer höheren Dosis im distalen Normalgewebe und Risikoorganen führen kann. Da die mikroskopische Struktur des Lungengewebes nicht vollständig in klinischen CT-Bildern aufgelöst wird, ist eine Berücksichtigung der Lungemodulationseffekte mit derzeitigen Bestrahlungsplanungssystemen nicht möglich. In dieser Dissertation wird ein mathematisches Modell verwendet, um die Auswirkungen der Bragg-Peak-Verbreiterung zu beschreiben. Die Materialeigenschaft "Modulationsstärke" wird verwendet, um die Stärke der Lungenmodulation zu quantifizieren. Eine heterogene, mikroskopisch voxelierte Geometrie wird verwendet, um mit Hilfe von Monte Carlo (MC) Simulationen modulierte Dosisverteilungen zu erzeugen. Anschließend werden diese voxelierten Geometrien, die menschliches Lungengewebe repräsentieren, durch gröbere Voxel klinischen Maßstabes ersetzt. Dies entspricht dem Übergang vom mikroskopischen Lungengewebe im Patienten zu den gröberen, klinischen CT-Strukturen, die das feine Lungengewebe nicht ausreichend auflösen. Durch Modulation der Dichte dieser klinischen Voxel kann die Bragg-Peak-Verbreiterung reproduziert werden. Es wurde also eine Lösung gefunden, die Lungenmodulationseffekte auf der Basis klinischer CT-Bilder zu reproduzieren. Mit dieser Technik wurde eine CT-basierte Phantomstudie entwickelt, um die Auswirkungen der Bragg-Peak-Verbreiterung für realistische Patientenanatomien zu analysieren. Unterschiedliche Tumorvolumina in unterschiedlichen Tiefen in der Lunge wurden untersucht. Es wurde gezeigt, dass wenn die Lungenmodulation während der Bestrahlungsplanung nicht berücksichtigt wird, die Dosis im Zielvolumen überschätzt und die Dosis in distalem Normalgewebe unterschätzt wird. Dieser Effekt nimmt mit zunehmender Tiefe des Tumors in der Lunge und abnehmender Ausdehnung des Tumors in Strahlrichtung zu. Außerdem wurden die Auswirkungen der Lungenmodulation auf klinischen Bestrahlungsplänen für Lungenkrebspatienten untersucht. Die Überschätzung der mittleren Dosis im CTV betrug maximal 5% und im Mittel ca. 2%. Für alle untersuchten Fälle war keine klinisch relevante Erhöhung der Dosis in distalen Risikoorganen zu erkennen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Lungenmodulationseffekte im gegenwärtigen klinischen Kontext bis zu einem gewissen Grad tolerierbar sind. Insbesondere in Anbetracht der unter anderem kritischeren Dosisunsicherheiten aufgrund von Bewegung und allgemeinen Reichweiteunsicherheiten in der Protonentherapie. Nichtsdestotrotz wurden PTV-Konzepte vorgestellt, die grundsätzlich im Stande sind, die Lungenmodulationseffekte während der Bestrahlungsplanung zu kompensieren.