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FU Berlin
Digitale Dissertation

Jens Heufelder :
Evaluation of external beam treatment plans using physical and biological models
Bewertung perkutaner Bestrahlungspläne mittels physikalischer und biologischer Kriterien

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Abstract

In order to find an ideal treatment plan for the patient using external beam radiotherapy, quite a number of plans have to be calculated. For each plan isodose plots and dose-volume-histograms (DVH) have to be compared. Usually a treatment plan consists of 30-40 CT-slices, therefore the comparison of all plans is a difficult and time-consuming task, being highly subjective. The introduction of physical and biological models is an attempt to make the treatment plan selection more objective. The evaluation index, presented in this work, combines physical and biological models for the first time. Using dose-volume-histograms, the following four criteria are calculated: ICRU-criteria (taking dose differences to the ICRU recommendations into account), mean-value and homogeneity of planning target volume dose, relative planning target volume dose or better inverse relative residual volume, and the product of tumour control probability (TCP) and normal tissue complication probability (NTCP). Using dose-volume-histograms of a commercial treatment planning system, a computer program had to be developped to import the histograms and calculate the criteria forming the evaluation index. During the index's evaluation period, 8 treatment plans from poor to good quality were calculated in a phantom. In a second step, 108 clinical dose plans of 21 patients with a tumour in the thorax region and 169 clinical dose plans of patients with Mamma carcinoma were tested. For the interpretation of the results, a method taking anatomical differences into account had to be developped. As a result of the phantom calculation the index differentiates easily between poor and good treatment plans. From the evaluation of the clinical treatment plans it can be seen that the use of the index makes the selection of the best plans more objective. Even small differences in treatment plans can be detected by the index. This is achieved by combining physical and biological models. Furthermore, using a computer to compare the dose plans one saves a lot of time, which can be used to produce better treatment plans.

Table of Contents

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0. Titelblatt
1. Einleitung
1
2. Grundlagen
3
2.1. Physikalische Grundlagen
      2.1.1. Erzeugung von Strahlung
      2.1.2. Wechselwirkung von Strahlung mit Materie
      2.1.3. Dosisbegriffe und Dosiseinheiten
      2.1.4. Dosismessverfahren
2.2. Bestrahlungsplanung
      2.2.1. Planungsgrundlage
      2.2.2. Bestrahlungsplanung
      2.2.3. Berechnung der Dosisverteilung
      2.2.4. Bewertung der Planvarianten
2.3. Biologische Modelle
      2.3.1. Das linear-quadratische Modell
      2.3.2. a/b korrigierte Dosis-Volumen-Histogramme
      2.3.3. Wechselwirkung von Strahlung mit Organen
3. Bewertungskriterien & Bewertungsindex
25
3.1. Physikalische Bewertungskriterien
      3.1.1. Minimum/Maximum-Kriterium
      3.1.2. Mittelwert und Homogenität der Dosisverteilung
           im Planungszielvolumen
      3.1.3. Relative Planungszielvolumendosis
      3.1.4. Relative Restvolumendosis
3.2. Biologische Bewertungskriterien
      3.2.1. Erfolgswahrscheinlichkeit
      3.2.2. Inverse relative reduzierte Restvolumendosis
3.3. Bewertungsindex
3.4. Der Bewertungsindex in der klinischen Anwendung
      3.4.1. Das Bestrahlungsplanungssystem
      3.4.2. Das Bewertungsprogramm
3.5. Auswertungsverfahren
      3.5.1 Bewertung aller Bestrahlungspläne einer  Tumorlokalisation
      3.5.2. Patientenbezogene Auswertung
4. Ergebnisse & Diskussion
39
4.1. Wasserphantom
      4.1.1. Bestrahlungstechniken und Isodosenverteilungen
      4.1.2. Ergebnisse der physikalischen Bewertung
      4.1.3. Ergebnisse der biologischen Bewertung
      4.1.4. Bewertungsindex
4.2. Thorax
      4.2.1. Übersicht
      4.2.2. Ergebnisse
      4.2.3. Abschätzung der Koeffizienten
      4.2.4. Beispiel einer Planbewertung
      4.2.5. Zusammenfassung
4.3. Mamma
      4.3.1. Übersicht
      4.3.2. Ergebnisse
      4.3.3. Abschätzung der Koeffizienten
      4.3.4. Beispiel einer Planbewertung
      4.3.5. Zusammenfassung
4.4. Diskussion
5. Zusammenfassung & Ausblick
67
Literaturverzeichnis
69
Abkürzungsverzeichnis
77
Glossar
81
Publikationen mit Teilen dieser Arbeit
Publikationen
Publikationen zu Konferenzen
Vorträge
Poster
85
Lebenslauf
91
Danksagung
93

 

More Information:

Online available: http://www.diss.fu-berlin.de/2002/41/indexe.html
Language of PhDThesis: german
Keywords: medical physics, radiotherapy, treatment planing, physical and biological models, tcp, ntcp
DNB-Sachgruppe: 29 Physik, Astronomie
Classification PACS: 87.53
Classification CR: J.3
Date of disputation: 03-Dec-2001
PhDThesis from: Fachbereich Physik, Freie Universität Berlin
First Referee: Prof. Dr. Klaus-Dieter Kramer
Second Referee: Prof. Dr. Manfred Tautz
Contact (Author): jens@heufelders.de bzw. heufelder@hmi.de
Contact (Advisor): kramerk@physik.fu-berlin.de
Date created:26-Mar-2002
Date available:27-Mar-2002

 

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