Estimating the effects on the dose distribution through the Bragg Peak degradation of lung tissue in proton therapy of thoracic tumors

Die Partikeltherapie für Tumore in der Lunge z.B. nicht-kleinzellige Bronchialkarzinome stellt eine vielversprechende Therapieoption dar. Zugleich stellt die Bestrahlung von Lungenkarzinomem mit Protonen oder Kohlenstoffionen eine vielseitige Herausforderung dar. Die Bewegung des Tumors, des Herzens und des gesamten Thorax durch die Atmung und den Herzschlag fordern eine zeitlich mit der Atmung und Tumorbewegung gekoppelte Bestrahlungsapplikation. Zusätzlich bringt das Lungengewebe durch seine mikroskopische Struktur weitere Unsicherheiten in die Dosisberechnung. In klinischen CTs, welche die Grundlage der Bestrahlungsplanung und Dosisberechnung bilden, werden die Mikrometer großen luftgefüllten Alveolen der Lunge nicht aufgelöst, sondern durch eine mittlere Dichte abgebildet. Der Bragg Peak wird bei Durchstrahlen eines solchen heterogenen Gewebes jedoch aufgeweitet, da einzelne Partikel im Strahl eine immer leicht andere Kombination aus Luft und Gewebezusammensetzung passieren und dies wiederum zu eine leicht unterschiedlichen Reichweite der Teilchen führt. Wird diese Verbreiterung des Bragg Peaks in der Bestrahlungsplanung nicht berücksichtigt, so kann diese potenziell zu einer Unterdosierung im Zielvolumen und somit dann zu einer schlechteren Tumorkontrolle führen und zusätzlich zu einer höheren Dosis in den Risikoorganen und im Normalgewebe, so dass die Toxizitätsrate den Therapieerfolg gefährdet. In der vorliegenden Dissertation werden die Auswirkungen der Bragg Peak Verbreiterung auf die Dosisverteilung simuliert und analysiert, so dass eine Abschätzung der Effekte im klinischen Alltag möglich ist. Dafür werden CT Bilder mit Hilfe einer Dichtemodulationsfunktion der Lunge manipuliert, welche die Verbreitung der mikroskopischen Strukturen auf makroskopische Strukturen überträgt. Somit kann ein direkter Vergleich zwischen den Dosisverteilungen mit und ohne die Verbreiterung gezogen werden. Verschiedene Abhängigkeiten wie die Tumorgröße und -lage, sowie die Tumorform werden systematisch untersucht und die Ergebnisse für fünf Patienten dargestellt, so dass die klinische Relevanz abgeschätzt und beurteilt werden kann. Zudem werden Messungen vorgestellt, welche die eingeführte Materialeigenschaft der "Modu\-lationsstärke" eines Gewebes für Lungengewebe zeigen. Auf Basis dieser Daten können die offenen Punkte der Analysen angegangen und die Unsicherheiten verringert werden, so dass besser begründete Einschätzungen vorgenommen werden. Zudem wird ein mathematisches Modell präsentiert, welches die Abschätzung der Modulationsstärke auf Basis einer CT-Histogrammanalyse erlaubt. Zusammen bilden die vorgestellten Arbeiten die Grundlage und Voraussetzung der Integration der Bragg-Peak Verbreiterung des Lungengewebes in die klinische, patientenindividuelle Bestrahlungsplanung.