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dc.contributor.author
Müller, Silvan
dc.contributor.supervisor
Stampanoni, Marco
dc.contributor.supervisor
Keall, Paul
dc.contributor.supervisor
Manser, Peter
dc.date.accessioned
2019-01-14T10:14:05Z
dc.date.available
2019-01-11T16:27:23Z
dc.date.available
2019-01-14T10:14:05Z
dc.date.issued
2018
dc.identifier.uri
http://hdl.handle.net/20.500.11850/315243
dc.identifier.doi
10.3929/ethz-b-000315243
dc.description.abstract
In radiotherapy, electron beams are well suited to treat superficial targets, while sparing distally located organs at risk (OARs) due to their dose fall-off. However, electron beams are limited to treat targets within 5 cm from the patient surface owing to their limited range for the available energies up to 22 MeV. Moreover, OARs located laterally to the target relative to beam direction cannot be spared adequately due to the large penumbra of the electron beams. In contrast to electron beams, photon beams have a very small penumbra and targets can be treated at all locations in the patient because of the exponential dose fall-off. However, this exponential fall-off also leads to a large dose contribution delivered to normal tissue. A treatment approach for mixed beam radiotherapy (MBRT) could merge the advantages of photons and electrons, while keeping their downsides at a minimum. A high potential for treating targets with at least a superficial part is hypothesized. Thus, the aim of this thesis was to develop and investigate treatment techniques for MBRT with simultaneously optimized photon and electron contributions that can be efficiently and accurately delivered using a conventional C-arm treatment unit. Using the photon multileaf collimator (pMLC) for electron beam collimation instead of cut-outs placed in the electron applicator is suggested to make electron treatments more efficient and to facilitate advanced treatment techniques for modulated electron radiotherapy (MERT) and MBRT. It was shown that today’s single electron field treatment plans using cut-out collimation can be replaced by plans of similar treatment plan quality using pMLC collimation with accurately calculated dose distributions at a large source-to-surface distance range of 70-100 cm. Next, the impact of intensity and energy modulation enabled by the pMLC was investigated for MERT plans of the breast, skin, parotid and larynx. Energy modulation was found to be of substantially larger value than intensity modulation to increase treatment plan quality for MERT. To explore the dosimetric potential of MBRT, a treatment planning process (TPP) was developed allowing to generate pMLC based step and shoot MBRT plans (ssMBRT) with simultaneously optimized and Monte Carlo (MC) calculated photon and electron contributions. A simulated annealing based direct aperture optimization was implemented and applied for the purpose of simultaneous optimization. ssMBRT plans generated for a left chest wall and a squamous cell carcinoma case dosimetrically outperformed plans for MERT, photon intensity modulated radiation therapy (IMRT) and volumetric modulated arc therapy (VMAT). Beside of electron beams, conventional C-arm treatment units offer also other degrees of freedom (DoFs), which are not utilized with the current state-of-the-art treatment techniques. Thus, a non-coplanar treatment technique for dynamic trajectory radiotherapy (DTRT) was developed, which utilizes combined dynamic gantry, table and collimator rotations during beam on of a photon beam. For two head and neck, a lung, an esophagus and a prostate case, it was shown that DTRT improves treatment plan quality compared to VMAT. Combining photon dynamic trajectories with step and shoot modulated electron beams, called dynamic mixed beam radiotherapy (DYMBER), would result in a treatment technique utilizing more DoFs than any other treatment technique presented before for conventional C-arm treatment units. Thus, a TPP was developed, which allows to create DYMBER plans. This TPP was applied for a brain and two head and neck cases and the resulting DYMBER plans are dosimetrically superior than DTRT and VMAT plans. Furthermore, MC calculated dose distributions of the DYMBER plans agree very well with absolute dose measurements performed with gafchromic films placed in an anthropomorphic phantom. In conclusion, this thesis demonstrates the dosimetric value of combining particle types for radiotherapy for the case of photons and electrons. The results of the efficiently and accurately deliverable MBRT plans suggest using MBRT for future clinical applications to treat targets with at least a superficial part of any treatment site with improved treatment plan quality compared to photon-only techniques.
en_US
dc.description.abstract
In der Radiotherapie sind Elektronenstrahlen gut geeignet, um oberflächliche Zielvolumen zu bestrahlen, währenddessen tiefer gelegene Risikoorgane (OARs) aufgrund deren Dosisabfall verschont bleiben. Elektronenstrahlen sind für die Behandlung jedoch auf Zielvolumen bis zu einer Tiefe von 5 cm zur Patientenoberfläche limitiert aufgrund deren limitierter Reichweite mit den verfügbaren Strahlenenergien von bis zu 22 MeV. Zudem können OARs seitlich zum Zielvolumen relativ zur Strahlrichtung nicht ausreichend geschont werden wegen der grossen Penumbra von Elektronenstrahlen. Im Kontrast zu Elektronenstrahlen haben Photonenstrahlen eine sehr kleine Penumbra und Zielvolumen können aufgrund des exponentiellen Dosisabfalls an allen Stellen im Patienten behandelt werden. Dieser exponentielle Dosisabfall führt allerdings auch zu grossen Dosisanteilen bei gesundem Gewebe. Ein Behandlungsansatz mit gemischten Strahlen in der Radiotherapie (MBRT) könnte die Vorteile von Photonen und Elektronen vereinen und dabei deren Nachteile auf ein Minimum beschränken. Ein grosses Potential ist für die Behandlung von Zielvolumen mit mindestens einem oberflächlichen Teilvolumen vermutet. Das Ziel dieser Dissertation war es daher Behandlungstechniken für MBRT mit simultan optimierten Photonen- und Elektronenanteilen, welche auf einer konventionellen C-Arm Bestrahlungseinheit effizient und genau abgestrahlt werden können, zu entwickeln und zu untersuchen. Das Verwenden des Photonen Multilamellenkollimator (pMLC) ist vorgeschlagen anstelle von im Elektronen Applikator platzierten Blöcken für die Kollimation von Elektronenstrahlen um Elektronenbehandlungen effizienter zu machen und fortgeschrittene Behandlungstechniken wie modulierte Elektronenradiotherapie (MERT) und MBRT zu ermöglichen. Es wurde gezeigt, dass die heutigen Pläne mit einem blockkollimierten Feld für Elektronenbehandlungen durch Pläne mit ähnlicher Qualität unter Verwendung von pMLC Kollimation mit genau berechneten Dosisverteilungen für Distanzen zwischen der Strahlquelle zur Patientenoberfläche von 70-100 cm ersetzt werden können. Als Nächstes wurde der Einfluss von Intensitäts- und Energiemodulierung, welche durch den pMLC ermöglicht wurden, auf MERT Pläne für Brust, Haut, Parotis und Larynx untersucht. Es wurde herausgefunden, dass Energiemodulierung von erheblich höherem Nutzen ist als Intensitätsmodulierung um die Qualität von Behandlungsplänen für MERT zu erhöhen. Um das dosimetrische Potential von MBRT zu erforschen wurde ein Prozess für die Behandlungsplanung (TPP) entwickelt, welcher es erlaubt pMLC segmentierte MBRT Pläne (ssMBRT) mit simultan optimierten und Monte Carlo (MC) berechneten Photonen- und Elektronenanteilen zu erstellen. Ein "Simulated Annealing" Algorithmus wurde für die direkte Segmentoptimierung (DAO) implementiert und für den Zweck der simultanen Optimierung verwendet. ssMBRT Pläne für einen Fall der linken Brustwand und einen Fall eines Plattenepithelkarzinoms übertrafen dosimetrisch Pläne für MERT, intensitätsmodulierte Photonenradiotherapie (IMRT) und volumetrisch modulierte Bogentherapie (VMAT). Neben Elektronenstrahlen bieten konventionelle C-Arm Bestrahlungseinheiten weitere Freiheitsgrade (DoFs), welche mit den heutigen modernen Behandlungstechniken nicht verwendet werden. Daher wurde eine nicht-koplanare Behandlungstechnik für Radiotherapie mit dynamischen Trajektorien (DTRT) entwickelt, welche dynamische Rotationen von Bestrahlungsgerät, Behandlungstisch und Kollimator während der Bestrahlung mit Photonenstrahlen kombiniert. Für zwei Kopf- und Halsfälle, ein Lungen-, ein Oesophagus- und ein Prostatafall wurde gezeigt, dass DTRT die Qualität des Behandlungsplans verglichen zu VMAT erhöht. Die Kombination von dynamischen Trajektorien für Photonenstrahlen und mit Segmenten modulierte Elektronenstrahlen, genannt dynamische und gemischte Strahlen für Radiotherapie (DYMBER), wäre eine Bestrahlungstechnik, die mehr DoFs benutzt als je eine andere präsentierte Technik für konventionelle C-Arm Bestrahlungseinheiten zuvor. Daher wurde ein TPP entwickelt, welcher es erlaubt DYMBER Pläne zu erstellen. Dieser TPP wurde für einen Hirnfall und zwei Hals- und Kopffälle angewendet und die resultierenden DYMBER Pläne waren dosimetrisch überlegen gegenüber DTRT und VMAT Plänen. Die MC berechneten Dosisverteilungen der DYMBER Pläne stimmten zudem sehr gut mit absoluten Dosismessungen überein, welche mit gafchromic Filmen durchgeführt wurden, die in einem anthropomorphen Phantom platziert wurden. In dieser Dissertation wurde für den Fall von Photonen und Elektronen der dosimetrische Wert von kombinierten Teilchentypen für die Radiotherapie demonstriert. Die Resultate der effizient und genau abstrahlbaren MBRT Pläne suggerieren MBRT für zukünftige klinische Anwendungen zu verwenden, um Zielvolumen mit zumindest einem oberflächlichen Teilvolumen jeglicher Behandlungsstelle mit verbesserter Qualität der Bestrahlungspläne zu behandeln im Vergleich zu Techniken, die ausschliesslich Photonen verwenden.
en_US
dc.format
application/pdf
en_US
dc.language.iso
en
en_US
dc.publisher
ETH Zurich
en_US
dc.rights.uri
http://rightsstatements.org/page/InC-NC/1.0/
dc.subject
mixed beam radiotherapy
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dc.subject
Monte Carlo
en_US
dc.subject
direct aperture optimization
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dc.subject
simultaneous optimization
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dc.subject
dynamic trajectory
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dc.subject
Multileaf collimator (MLC)
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dc.title
Treatment Techniques for Mixed Beam Radiotherapy with Simultaneously Optimized Photon and Electron Beams
en_US
dc.type
Doctoral Thesis
dc.rights.license
In Copyright - Non-Commercial Use Permitted
ethz.size
194 p.
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ethz.code.ddc
DDC - DDC::6 - Technology, medicine and applied sciences::610 - Medical sciences, medicine
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DDC - DDC::6 - Technology, medicine and applied sciences::610 - Medical sciences, medicine
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DDC - DDC::5 - Science::530 - Physics
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JEL - JEL::Y - Miscellaneous Categories::Y4 - Dissertations (unclassified)::Y40 - Dissertations (unclassified)
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ethz.identifier.diss
25595
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ethz.publication.place
Zurich
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ethz.publication.status
published
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ethz.leitzahl
ETH Zürich::00002 - ETH Zürich::00012 - Lehre und Forschung::00007 - Departemente::02140 - Dep. Inf.technologie und Elektrotechnik / Dep. of Inform.Technol. Electrical Eng.::02631 - Institut für Biomedizinische Technik / Institute for Biomedical Engineering::03817 - Stampanoni, Marco F.M. / Stampanoni, Marco F.M.
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ETH Zürich::00002 - ETH Zürich::00012 - Lehre und Forschung::00007 - Departemente::02140 - Dep. Inf.technologie und Elektrotechnik / Dep. of Inform.Technol. Electrical Eng.::02631 - Institut für Biomedizinische Technik / Institute for Biomedical Engineering::03817 - Stampanoni, Marco F.M. / Stampanoni, Marco F.M.
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ethz.relation.hasPart
https://doi.org/10.1088/1361-6560/aa9fb6
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https://doi.org/10.1088/2057-1976/aabe40
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https://doi.org/10.1088/1361-6560/aa70c5
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https://doi.org/10.1002/mp.13086
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https://doi.org/10.1002/mp.13085
ethz.date.deposited
2019-01-11T16:27:36Z
ethz.source
FORM
ethz.eth
yes
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ethz.availability
Open access
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2019-01-14T10:14:44Z
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2020-02-15T16:35:55Z
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