Klausurfragen

• Allgemein: Verbesserung dder Dosis-Wirkungs-Beziehung durch Nutzung deutlich höherer Einzeldosen

• 4 Anforderungen:

1. Akkurates nodales Staging mit [18F]-FDG PET/CT

2. 4D-CT (atemgetriggert), um eine individuelle Bestimmung des

   ateminduzierten Tumorbewegung und eine systematische

   Integration dieser Bewegungsinformation in die RT Planung zu

   ermöglichen

3. Hochkonformale Bestrahlung aus vielen verschiedenen

   Richtungen, um die Bestrahlungsdosen auf den Tumor zu

   konzentrieren

4. Mittels täglicher Bildgebung im Bestrahlungsraum (planare

   Röntgenaufnahmen, CBCT, Spiral-CT, MRT) lassen sich

   Positionsänderungen des Lungentumors im Vergleich zur

   Bestrahlungsplanung erkennen und die Bestrahlung kann

   angepasst werden

• CTV + weiteren Sicherheitssaum, mit dem physikalisch-technische Unsicherheiten (Randabfall der Dosisprofile, Lichtfeld, Lagerungsungenauigkeiten) sowie medizinische Unsicherheiten (Patienten- und Organbewegungen) berücksichtigt werden

• Sicherheitssaum stellt sicher, dass Tumorvolumen abgedeckt ist

• Homogenitätslevel im PTV ist normiert

• Dosis im PTV sollte so homogen wie möglich sein

• aus technischen Gründen kann Dosisverteilung nicht perfekt homogen sein

• Hererogenität sollte im Bereich + 7% und -5% der verschriebenen Dosis D_pr sein! (95% <= D_pr >= 107%)

• kann dieses Homogenitätslevel nicht erreicht werden, so liegt es in der Verantwortung des Radioonkologen zu entscheiden, ob dies dennoch akzetabel ist oder nicht

• beschreibt die Größe der Spannweite zwischen der fast minimalen Dosis D2% und der fast maximalen Dosis D98% geteilt durch die D_50%

• Je kleiner diese Spanne ist, desto näher ist sie an der D_50%, desto kleiner ist der HI-Wert

• hohe Homogenität = homogene Zielvolumen-Dosis, was sich in einem rechteckigem DVH mit steilem Randabfall äußert

• In Praxis keine leichte Aufgabe

• echten Zufallszahlen lassen sich eigentlich nur mittels physikalischer Phänomene erzeugen, z.B. über den radioaktiven Zerfall.

• zurückgreifen auf methematische Algorithmen führt zu Pseudozufallszahlen —> wiederholen sich nach einer festen Folge —> dennoch ähnliche statistische Eigenschaften wie echte Zufallszahlen, z.B. ihre Verteilung.

• je nach Wahl des Zufallszahlenalgorithmus erhält man

  • das selbe Ergebnis wie mit echten Zufallszahlen

  • systematisch falsches Endergebnis

IMRT:

• modulierte Strahlenfelder lassen sich durch Superposition von homogenen, irregulär geformten Teilfeldern erzeugen

• 5-9 Gantrywinkel, dynamische MLC-Bewegung oder mehrere statische Segmente (Step and Shoot)

• inverses Verfahren

• insbesondere bei konkaven und komplexen Volumen

• Schonung nahegelegener OARs

• bessere Konformität

• homogene Dosis in Tumorvolumen

• Grad der Modulation durch MLCs, Gantrywinkel und Segmente gekennzeichnet

VMAT:

• kontinuierliche Gantryrotation bei gleichzeitiger MLC-Bewegung, Dosisratenvaritation während Bestrahlung

• kürzere Bestrahlungsdauer

• Vorteile von Monte-Carlo (MC) Algorithmen liegen

  • im Bereich inhomogener Medien

  • insbesondere bei Gewebe-Luft Übergängen

  • bei zeitlich andauernden Situationen, bspw. VMAT oder bei atembeweglichen Organen.

• Nachteil von MC

  • lange Berechnungsdauer

  • Skaliert sich mit der gewünschten Genauigkeit quadratisch und mit der Voxelgröße mit 1/x³

  • Berechnungszeiten für MC nähern sich immer mehr den konv. Algorithmen (Entwicklung Rechentechnik, gpu-computing, …)

1D-Verfahren:

• Manuelle Dosisberechnung

• Direkteinstellung (Punktdosisabschätzung)

2D-Verfahren:

• Modellierung durch analytische Funktionen (Faltung) in 2D

• Pencil-Beam Kernel

• Vorteil: schnelle Berechnungsdauer

• Nachteil: keine Dosisberechnung in Rückwärtsrichtung, Inhomogenitätskorrektur nur in Vorwärtsrichtung

3D-Verfahren:

• Modellierung durch analytische Funktionen (Faltung) in 3D

• Convolution/Superposition

• Collapsed Cone Kernel

• Vorteil: Dosisberechnung sehr genau durch Inhomogenitätskorrekturen in alle 3 Raumrichtungen

• Nachteil: längere Berechnungsdauer

Volle Dosis-Simulation:

• Direkte Simulation der Wechselwirkungen

• Monte Carlo Dosisberechnung

• Vorteile: bei zeitlich andauerenden Situationen wie VMAT, bei Gewebe-Luft-Übergängen, bei Bereichen inhomogener Medien

• Nachteile: lange Berechnungsdauer, skaliert sich mit der gewünschten Genauigkeit quadratisch und mit der Voxelgröße 1/x³

1. Definition des Bestrahlungsziels (präoperativ, postoperativ, …)

2. Wahl der Strahlenart, der Bestrahlungstechnik und der Referenzpunkte

3. Bestimmung der Zielvolumina

4. Festlegung der Lagerung und Immobilisierung des Patienten

5. Festsetzung der Strahlendosis für Zielvolumen und Risikoorgane

6. Auswahl und Optimierung folgender Faktoren:

   • Zahl der Felder und deren Einstrahlwinkel

   • Konfiguration der Felder (Größe, Abschirmblöcke, …)

   • Dosisprofil im Feld (z.B. Keilfilter)

7. Berechnung der Dosisverteilung

8. Simulation der Strahlenbehandlung

9. Ersteinstellung am Bestrahlungsgerät

• Schräg einfallende, isozentirsche, tangentiale Gegenfelder mit Keilfilterkomponenten

• i.d.R. 6 MV (je nach BMI)

• Wahl der Gantrywinkel entsprechend der Tangente des ZV mit 3-4° Überkippung aufgrund Divergenz des Strahls

• Kollimatorwinkel an Lungensaum anpassen

• Keilfilter entsprechend der Dicke des ZV

• Felder an der Körperoberfläche 2-3 cm öffnen (Atembeweglichkeit)

• Evtl. Ausgleichsfeld aus einer Richtung mit um 90° gedrehtem

  Kollimator/Keilrichtung zur besseren Lungenschonung und

  Homogenisierung der Dosis

• Alternativ (wenn kein Keil vorhanden): 2 Tangentiale Felder mit je max. 5 Segmenten (S&S)

• TCP: Tumor-Kontroll- Wahrscheinlichkeit

• NTCP: Komplikationswahrscheinlichkeit Normalgewebe

• therapeutisches Fenster: Wahrscheinlichkeit für unkomplizierte Heilung (H = TCP X (1-NTCP)

• Fenster möglichst vergrößern durch Technik und verbesserte Therapie

Fraktionierung?

• Erholungs- und Reparaturvorgänge laufen in Normalgewebe und Tumorgewebe ab

• Erholungsfähigkeit beider Gewebe jedoch verschieden

• nur wenn Zelltötung und -teilung in Ggw bleibt, ist die Therapie erträglich

• Die Reparaturfähigkiet ist bei Normalgewebe deutlich besser, weshalb es einen starken Fraktionierungseffekt aufweist

• Durch die Fraktionierung kann sich das Normalgewebe erholen udn vorhandene Schäden reparieren

• Durch den geringen Fraktionierungseffekt wird Tumorgewebe abgetötet

Erstellen eines Strahlerkopfmodells zur realistischen Berechnung individueller Dosisverteilungen

Messungen:

• Tiefendosisverläufe (verschiedene Energien; Photonen und Elektronen,…)

• Querprofile (verschiedene Energien; Photonen und Elektronen,…)

• Absolutdosimetrie um MU einzustellen (bei FOA 100 cm und 100 MU sollte 1 Gy sein bei 10x10 cm Feld und 10 cm Tiefe)

• Output-faktoren

• Strahlerstreufaktoren, Phantomstreufaktoren, totaler Streufaktor

• Leak-Strahlung (MLCs)

• Equipment: Ionisationskammer, Wasserphantom oder andere Phantome

• Absolute Dosis, die bestimmtes Volumen V erreicht, sollte dokumentiert werden (Aufzeichnung Dosis-Volumen-Spezifikation empfohlen)

• D_98% anstatt minimaler Dosis nominell D100% (D_100% nicht empfohlen da Definition PTV nicht exakt genug (v.a. an der Periphere))

• D_2% maximale Dosis

• D_50% mediane Dosis

• Doku für OARs: D_mean und D_2%

• Doku von Segementen, Feldern und Fraktionierung

• Aufzeichnung Software-Version für Planung und Applikation

• Level 3 Doku: Dosishomogenität und -konformität; klinische und biologische Evaluationsparameter

• macht sich besonders bei der Lunge bemerkbar

  • Dosissimulation an Grenzflächen zwischen verschieden dichten Materialien mit Collapsed Cone in hoherer Genauigkeit möglich

• Mit Hilfe des Therapeutischen Fensters wird ein Dosisbereich festgelegt in dem mit hoher Wahrscheinlichkeit die Heilung eines Tumors eintritt, aber auch die Nebenwirkungen in beherrschbaren Grenzen liegen

• Abstand zwischen TCP und NTCP-Kurven bei 50%-Wirkung

• ITV ist das Volumen, das den Tumor zu jeder Zeit beinhaltet

• Bilder aus N Atemphasen werden akquiriert und kombiniert.

• ITV = Kombination aller Tumorvolumen in allen Atemphasen.

• Maximum Intensity Projection (MIP) kann zur Definition eines ITV verwendet werden.

• Unter Kerma K versteht man den Quotienten aus der durch indirekt ionisierende Strahlung in einem bestrahlten Materievolumen auf geladene Sekundärteilchen der ersten Generation übertragenen Bewegungsenergie dE_tran (also die Summe der kinetischen Anfangsenergien) und der Masse dm des bestrahlten Volumenelements

• KERMA = Kinetic Energy Released per unit Mass

• SI-Einheit: [K] = 1 J/kg = 1 Gy

• die Wahrscheinlichkeit, dass die Streuung stattfindet

• der Streuwinkel

• der Energieverlust

• die Schrittweite bzw. mittlere freie Weglänge des Teilchens

• Die Toleranzdosis stellt eine für ein Gewebe, Organ oder Körper möglichst nicht zu überschreitende Dosis dar, weil ansonsten mit irreparablen Schäden zu rechnen ist

• Für Risikoorgane wird eine minimale und maximale Toleranzdosis definiert:

  • Die minimale Toleranzdosis (TD5/5) bezeichnet diejenige Dosis, die bei einem Patientenkollektiv unter Standardbehandlungsbedingungen nicht mehr als 5% schwere Komplikationen innerhalb von 5 Jahren nach der Behandlung hervorruft.

  • Die maximale Toleranzdosis (TD50/5) ist entsprechend die Dosis, die innerhalb von 5 Jahren zu höchstens 50% schweren Komplikationen führt

• bei der mathematischen Beschreibung von Überlebenskurven von Zellen hat sich das LQ-Modell durchgesetzt

• Es eignet sich besonders gut den Schulterbereich von Zellüberlebenskurven in klinisch relevanten Dosen zu beschreiben

• Darüber hinaus lassen auch Fraktionierungseffekte im Gewebe quantifizieren

• Das Zellüberleben lässt sich durch den natürlichen Logarithmus der Überlebensfraktion S beschreiben

• D ist die applizierte Dosis, a und ß sind Gewebespezifische Konstanten

• -ad = lineare Komponente beschreibt die Anfangsneigung der Überlebenkurve

• -ßd² = quadratische Komponente beschreibt die Krümmung der Kurve

• Eine wichtige Beschreibung der Ausprägung der Schulter ist das a/ß-Verhältnis

  • a/ß-Verhältnis groß: lineare Komponente überwiegt, Schulter klein

  • a/ß-Verhältnis klein: quadratische Komponente überwiegt, Schulter groß

• hohe Konformität = 95%-Isodosenlinie sehr gut vom PTV umschlossen

• Formel CI = V_D>95%/V_PTV

• Hängt von n ab (Anzahl der Versuche)

• Je mehr Versuche, desto genauer

Das exponentielle Schwächungsgesetz

• Schwächung eines Strahlenbündels = Verminderung der primären Teilchenzahl durch die von Teilchenart und Teilchenenergie abhängigen Wechselwirkungen mit dem Absorbermaterial.

• Beschreibung der Wechselwirkungswahrscheinlichkeit eines ungeladenen Strahlenbündels

• Beschreibt das mittlere Verhalten der primären Quanten eines Strahlenbündels ungeladener Teilchen im Absorber

• Aussagen gelten nur für hinreichen große Teilchenzahlen

• Wechselwirkungsraten individueller Teilchen zeigen immer zufällige Abweichungen von diesem Gesetz

Abstandsquadartgesetz

• Durch die quadratische Zunahme des Strahlquerschnitts A mit dem Abstand nimmt die Teilchenzahl bei divergentem Strahlenbündel pro Flächenelement quadratisch mit dem Abstand ab

• Strahlungstransport durch Materie kann genau simuliert werden. Durch Vernachlässigung von Detailwissen kann Rechenzeit eingespart werden

• Varianzreduktion: Range Rejection:

  • Wenn die Elektronenenergie zu gering ist, um die nächste Geometriegrenze zu überqueren wird es sofort lokal deponiert.

  • Damit können Simulationen in großen Geometrien (Beschleuniger) beschleunigt werden, aber bei kleinräumigen Geometrien (Kammer) ist Vorsicht geboten

• Recycling

  • Bis zu einem gewissen Grad können Teilchenschicksale „recycelt“, also erneut genutzt, werden.

• Bremsstrahlungssplitting

  • Da Photonen wenige Wechselwirkungen machen, kann man diese, wenn sie erzeugt werden, „splitten“, also mehrfach verwenden.

  • Dabei erhält jedes „Teil-“Photon von n erzeugten Photonen ein Gewicht von 1/n.

• stellt ein Maß für die Strahlendosierung am Linearbeschleuniger dar

• 100 MU entspricht dabei FOA 100 cm im 10x10cm Feld die in 10 cm Tiefe im Zentralstrahl 1 Gy ergeben

• MU wird von zwei Ionisationskammern im Beschleuniger gemessen

Strahlenbiologische Mechanismen, die zur unterschiedlichen Reaktion verschiedener Gewebe auf die fraktionierte Bestrahlung beitragen

• Reparatur des zellulären Strahlenschadens

• Repopulierung durch überlebende Zellen während der Behandlung

• Redistribution der Zellen im Zellzyklus

• Reoxygenierung hypoxischer Zellen

• Ionisierende Strahlung ist jede Teilchenstrahlung oder elektromagnetische Strahlung, die in der Lage ist, aus Atomen oder Molekülen Elektronen zu entfernen, sodass positiv geladene Ionen oder Molekülreste entstehen (Ionisation).

• Wirkprinzipien:

  • Ionisation von DNA-Strängen

    • Induktion des programmierten Zelltodes

    • Verlust der Teilungsfähigkeit

  • Ionisation anderer Biomoleküle (Proteine)

    • Induktion des prgrammierten Zelltodes

  • Veränderung der umgebenden Gewebematrix

    • Zerstörung von Blutgefäßen

• Die Dosisbegrenzung von Normalgeweben/Risikoorganen wird in der Regel über Normalgewebe-Komplikations-Wahrscheinlichkeiten (NTCP) reguliert.

• Man unterscheidet zwei verschiedene Arten von Normalgeweben (NG):

  • Serielle NG: gleichen einer Kette, wenn ein Glied bricht, reißt die ganze Kette

  • Parallele NG: gleichen einem Seil, wenn eine Faser reißt bleibt dennoch die grundsätzliche Funktion des Organs erhalten

• Planning organ at risk volume

• berücksichtigt Positionierungsungenauigkeiten um sensible RO herum

• OAR + Sicherheitssaum

• z.B. Myelon, Hirnstamm, Sehnerv

• Feldgröße

• FOA

• Filter (Keil, FFF)

• Energie

• Feldgröße 8x8 cm

• Tabelle: 80,4 ME/Gy

• isozentrische Gegenfeldbestrahlung:

  • Dosis/2 = 0,5 Gy/2 = 0,25 Gy

  • FOA + r = 100 cm

  • FOA_ref = 100 cm

• M (F,r) = M_ref(A,z) x D x ((FOA+r)/(FOA_ref+z))²

• M(8x8, 4 cm) = 80,4 ME/Gy x 0,25 Gy x (100cm/104cm)² = 18,58 ME

• D_max: Maximaldosis in PTV und OARs (höchste Dosis, Volumen d > 15 mm)

• D_min: Minimaldosis in PTV (geringste Dosis)

• D_mean oder D_median: mittlere Dosis

• Hot-Spots: Bereich außerhalb des PTVs, der eine höhere Dosis als 100% hat

• Normierungspunkt (Dosis im Zentrum des PTVs)

• mehr Dosis durch Streustrahlung (seitliche Einstreuung in den Zentralstrahl)

• Die Energiedosis D ist die mittlere lokale Energie dE, die durch eine Bestrahlung mit ionisierender Strahlung von einem Absorbermaterial der Dichte ρ und der Masse dm im Volumen dV absorbiert wird

• SI-Einheit: Joule pro Kilogramm oder Gray [D] = 1J/kg = 1 Gy

• Ergebnisse beim nichtkleinzelligen Lungenkarzinom (NSCLC) Stadium i: Tumorkontrolle > 90% bei biologisch äquivalenten Dosen (BED) > 100 Gy

• BED erlaubt eine Normierung der Verschreibungsdosis auf Normo-Fraktionierung

• BED = D*n* (1+D/(a/ß)) (D:Dosis/fr; n: Anzahl fr; a/ß: 10 Gy, in OARs 3 Gy)

• BED = 20 *3*(1+20/10) = 180 Gy

Frage 1: Erforderliche Größen

• Modell, mit dem gerechnet wird (Mann, Frau, Kind, Schwangere etc.)

• Kumulierte Aktivität in jedem Quellorgan

• Verabreichte Gesamtaktivität

• S-Werte S(Zielorgan<−Quellorgan)

Frage 2: Rechenweg

• Zunächst muss die Verweilzeit berechnet werden: t(Quelle)=kumulierte Aktivität im Quellorgan/verabreichte Gesamtaktivität

• Die Dosiswirkung ergibt sich aus: D(Ziel<− Quelle) / A_Admin= t_Quelle∗ S(Zielorgan<−Quellorgan)

• Nun muss noch über alle Quellorgane gemittelt werden

Berechnen Sie die Verweilzeit in der Leber

• Die Verweilzeit ist additiv, das bedeutet:

• t_(Leber)= t(Leber inkl Tumor) − t(Tumor) = 6,4h

Berechnen Sie den S-Wert für den Tumor S(Tumor <- Tumor) unter Vernachlässigung der Gammastrahlung und für die geringe Reichweite der Betastrahlung (< 1 mm)

• Unter Annahme, dass die Dichte von Tumor und Leber konstant ist, gilt:

• S(Tumor<−Tumor) = S(Leber<−Leber) ∗ m(Leber)/m(Tumor) = 0,4 mGy*(MBq∗h)^-1

Berechnen Sie die Dosis für GK, Restleber und Tumor

• D(GK) = t(GK) ∗ S(GK<−GK) = 5,7∗10−2 mGy*(MBq∗h)^-1

• D(Restleber)= t(Restleber) ∗ S(Restleber<−Restleber) = 0,29 mGy*(MBq∗h)^-1

• D(Tumor) = t(Tumor) ∗ S(Tuomr<−Tumor) = 4,92 mGy*(MBq∗h)^-1