German Title: Risikoadaptierte Optimierung in der intensitätsmodulierten Protonentherapie (IMPT)

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Abstract

Due to the pronounced dose gradients generated by proton beams, proton treatment plans can be very sensitive to treatment uncertainties. However in IMPT many different solutions of the inverse problem exist which result in dose distributions of comparable quality. This thesis investigates methods to exploit this degeneracy of solutions to generate treatment plans which are robust to uncertainties. An investigation of the optimization algorithm in the used IMPT software KonRad revealed that the standard optimization algorithm is not capable to find the optimal treatment plan in a reasonable time. Thus several additional optimization algorithms were implemented and tested in KonRad. The best results were achieved using the L-BFGS algorithm. To rate the sensitivity to uncertainties of individual beamlet dose distributions the heterogeneity number H was developed. It was shown that H correlates with the dose calculation error introduced by the commonly employed pencil beam algorithm as well as with the sensitivity to setup errors of individual beamlets. Finally, the "worst case optimization" was developed to account for uncertainties during the inverse treatment planning. This technique was applied to account for range uncertainties, setup errors and a combination of both uncertainties. The treatment plans generated with this new method are much more robust to the respective uncertainties as conventional IMPT and even as conventional single-field proton plans.

Translation of abstract (German)

Die ausgeprägten Dosisgradienten eines Protonenstahls können in der Protonentherapie zu Bestrahlungsplänen führen, die auf Unsicherheiten in der Bestrahlungsplanung und -applizierung sehr anfällig sind. Allerdings bietet die IMPT viele Lösungen des inversen Problems an, die vergleichbare Dosisverteilungen aufweisen. Diese Arbeit beschäftigt sich mit Möglichkeiten, diese Entartung der Lösungen zur Generierung robuster Bestrahlungspläne auszunutzen. Eine Überprüfung des Optimierungsalgorithmus der verwendeten IMPT Software KonRad ergab, daß der Standardalgorithmus den optimalen Bestrahlungsplan nicht in angemessener Zeit ermitteln kann. Deshalb wurden zusätzlich mehrere Optimierungsalgorithmen in KonRad implementiert und getestet. Die besten Ergebnisse erzielte der L-BFGS Algorithmus. Zur Beurteilung der Empfindlichkeit der Dosisverteilung einzelner Beamlets im Hinblick auf Unsicherheiten, wurde das Konzept der Heterogenitätszahl H entwickelt. Es wurde gezeigt, daß H sowohl mit dem Dosisberechnungsfehler, der durch den üblicherweise verwendeten Pencilbeam Algorithmus entsteht, als auch mit der Empfindlichkeit der einzelnen Beamlets im Bezug auf Fehllagerungen korreliert. Schließlich wurde die "worst case Optimierung" entwickelt um Unsicherheiten in die inverse Bestrahlungsplannung mit einzubeziehen. Diese Technik wurde auf Reichweitenunsicherheiten, Fehllagerungen des Patienten sowie deren Kombination angewandt. Die Bestrahlungspläne, die mit dieser neuen Methode erzeugt wurden, weisen im Vergleich zu konventioneller IMPT und sogar zu konventionellen Ein-Feld Bestrahlungsplänen eine deutlich größere Robustheit gegen die jeweiligen Unsicherheiten auf