Development, manufacturing and validation of patient-specific 3D range-modulators for the very fast irradiation of moving tumours in particle therapy

Die Partikeltherapie hat sich in den letzten Jahrzehnten klinisch etabliert, da sie die Dosis hochpräzise und konform im Ziel applizieren kann und sich für bestimmte Krebsarten als besonders wirksam erwiesen hat. Bewegte Tumoren stellen allerdings aufgrund der relativ langen Bestrahlungszeiten eine Herausforderung dar, weil „Interplay“ Effekte zwischen dem gescannten Strahl und der Tumorbewegung zu starken Dosisinhomogenitäten führen können. Außerdem ist die Anwendung des üblichen Multi-Energy Rasterscanning-Verfahren für FLASH-Bestrahlung aufgrund der Umschaltzeiten zwischen den einzelnen Energieschichten nicht möglich. In dieser Dissertation wird das Konzept statischer, durch Rapid Prototyping hergestellter Reichweitenmodulatoren, vorgestellt. In Kombination mit einer einzigen Energie und einem gescannten Feld können solche Modulatoren die Bestrahlungszeit deutlich senken. Es wird die Entwicklung von 2D Modulatoren gezeigt und ihre Anwendung in einem Forschungsprojekt für hochpräzise Wasserkalorimetrie validiert. Zudem wird das Konzept auf einen 3D-Reichweitenmodulator ausgeweitet, der für eine patientenspezifische Tumorform optimiert und angepasst ist. Die Modulatoren werden mit hochqualitativen 3D-Druckern, verschiedenen Materialien und Druckverfahren hergestellt. Die resultierende Dosisverteilung wird zunächst durch Simulationen und dann durch schnelle, automatisierte und hochaufgelöste Messungen mit einem Wasserphantom validiert. Insgesamt wird eine komplette Prozesskette demonstriert, von der Modulatorentwicklung bis zur abschließenden Dosisauswertung. Die simulierten und gemessenen Dosisverteilungen stimmen sehr gut überein und weisen hohe Homogenität auf. Im Falle des 3D RM wird die applizierte Dosis zusätzlich sowohl an die proximale als auch an die distale Kante des Tumors angepasst. Vor allem aber gelingt es, mit den Modulatoren die verschriebene Dosis in einem Bruchteil der Zeit zu applizieren, die für das konventionelle Rasterscan Verfahren benötigt wird. Die vorgestellte Arbeit demonstriert die mögliche Verwendung von 3D-gedruckten 3D Modulatoren in der Partikeltherapie. Das 3D RM Konzept kombiniert extrem kurze Bestrahlungszeiten mit hoher Dosiskonformität und -homogenität und verspricht aber gleichzeitig klinische Dosisverteilungen für die Lungen- und/oder FLASH-Behandlung, die mit denen konventioneller Bestrahlungstechniken vergleichbar und konkurrenzfähig sind.