Bestrahlungsplanung

Zusammenfassung

Jeder Strahlentherapie geht ein mehrstufiger Entscheidungsprozess – die Bestrahlungsplanung – voraus, um eine ideale Behandlung für jeden einzelnen Patienten zu gewährleisten.

Das Ziel einer Bestrahlung ist die Applikation einer ausreichenden Strahlendosis im Tumorgewebe, um eine kurative oder palliative Behandlung zu ermöglichen. Leider geht eine Bestrahlung des Tumorgewebes immer mit einer Bestrahlung von Normalgewebe einher. Somit werden sowohl innerhalb als auch außerhalb des Zielvolumens Strahlenschäden erzeugt. Während einer Bestrahlungsplanung wird für einen individuellen Patienten ein Bestrahlungsplan generiert, der eine adäquate Bestrahlung des Zielvolumens bei möglichst minimaler Belastung des Normalgewebes ermöglicht.

Aufgaben

24.1

In Abschn. 24.2.1 und 24.2.3 wird das PTV-Konzept diskutiert, welches bei der Zielvolumendefinition zur Anwendung kommt. Nutzen Sie die Sekundärliteratur [12], um Informationen über die Größe des PTV-Sicherheitssaums für die Bestrahlung eines Prostatatumors zu erhalten. Welche relative Volumenzunahme ergibt sich mit dem Sicherheitssaum für ein sphärisches Zielvolumen mit einem Radius von $5\,\mathrm{cm}$?

24.2

In Abschn. 24.6.4 werden kurz alternative Zielfunktionen auf Basis der $\mathit{EUD}$ diskutiert. Wie könnte eine $\mathit{EUD}$-basierte Zielfunktion, die für die inverse Planung genutzt werden kann, konkret aussehen? Wie lautet der Gradient einer solchen Zielfunktion? Handelt es sich um eine konvexe Zielfunktion, die somit effizient gelöst werden kann?

24.3

Nutzen Sie das Open Source Matlab Toolkit MatRad [18], um selbst Bestrahlungspläne zu erstellen. Führen Sie dosimetrische Betrachtungen der Bestrahlungspläne mit variierenden Wichtungsfaktoren $s_{o}^{r}$ und Toleranzdosen $d_{r}^{\mathrm{max}}$ durch. Welchen Einfluss hat die Anzahl an Einstrahlrichtungen auf die Planqualität?

24.4

Wie groß wird die Dosisbeitragsmatrix $D$(vgl. Gl. 24.1) ungefähr für einen intrakraniellen, sphärischen Tumor mit $3\,\mathrm{cm}$ Radius. Nehmen Sie eine Bestrahlung mit 9 Einstrahlrichtungen, eine Bixelgröße von $(5\,\mathrm{mm})^{2}$ und einen Schädeldurchmesser von $20\,\mathrm{cm}$ an. Die Dosisbeitragsmatrix $D$ wird üblicherweise in einfacher Genauigkeit (Single Precision), d. h., ein Eintrag entspricht 4 Byte, gespeichert. Erwartet man eine größere oder kleinere Dosisbeitragsmatrix für einen Prostatapatienten?

24.5

In Abschn. 24.4.4.1 haben wir die Pencil-Beam-Dosisberechnungsmethode vorgestellt, die keine Dichteskalierung des Kernels vornimmt. Daher kann es in Bestrahlungsgeometrien, die hohe Materialdichteunterschiede aufweise (z. B. Lunge), zu fehlerhaften Ergebnissen kommen. Überlegen Sie, ob die Pencil-Beam-Methode die tatsächliche Dosis in einem Lungentumor eher über- oder unterschätzt. Warum könnte das speziell bei der Bewertung von Lungenplänen problematisch sein?

24.6

Berechnen Sie die Breite des lateralen Dosisabfalls von 90 % auf 10 % der Dosis in einer Tiefe von $20\,\mathrm{cm}$ für Protonen, Heliumionen und Kohlenstoffionen mit einer Reichweite von $20\,\mathrm{cm}$. Gehen Sie dafür von der gleichen Strahlbreite $\sigma_{\text{init}}^{2}=3\,\mathrm{mm}$ bei Eintritt in den Patienten für alle Modalitäten aus und nutzen Sie die Daten in Abb. 24.12, um $\sigma_{\mathrm{MCS}}^{2}$ für einen einfachen Pencil-Beam-Algorithmus (vgl. Abschn. 24.4.4.1) abzuschätzen.