Evaluation of validation parameters for generating highly modeled irradiation plans

Abstract

Radiation therapy is always an evolving field of medical physics and plays an enormous role in the local control of malignant tumors. The most common technique for a radiation therapy in the last few years is the photon-based intensity modeled radiation therapy (IMRT) which can be delivered using a clinical linear accelerator (LINAC). This diploma thesis deals with the evaluation of some planning parameters of these LINACs, in particular the gantry spacing, dynamic and dosimetric properties of the Multi-Leaf Collimator (MLC). To evaluate and validate IMRT plans, the Modulation Complexity Score (MCS) factor and the gamma index based on phantom measurements are used. Therefore, a better understanding of these parameters is crucial to ensure the accuracy and complexity of such plans. Through a comparative analysis of different combinations, this work aims to evaluate the influence of plan complexity on the real applicability of irradiation by the LINAC and to differentiate by varying these parameters. Therefore, 15 realistic treatment plans - five each for prostate, breast (mamma) and head and neck (ENT) tumors - are analyzed and each plan is repeatedly optimized. In addition, the MCS is recalculated each time to assess the impact on plan complexity. In addition, measurements are taken on a phantom (Delta4+, Scanidos, SWE) in order to compare or validate the calculated parameters of the plans. The results of the work contribute to this field by providing a clearer understanding of how different optimization parameters affect the complexity of realistic radiotherapy plans and their dosimetric applicability.

Die Strahlentherapie ist ein sich ständig weiterentwickelndes Gebiet der Medizinphysik und spielt eine entscheidende Rolle in der lokalen Kontrolle von malignen Tumoren. Die derzeit gebräuchlichste Technik für eine Strahlentherapie ist die photonenbasierte intensitätsmodolierte Bestrahlungsmethode (IMRT). Sie wird mit Hilfe eines klinischen Linearbeschleuniger (LINAC) durchgeführt. Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Analyse einiger relevanter technischer Parameter von LINACs, im speziellen dem Gantry-Spacing und den dynamischen und dosimetrischen Eigenschaften des Multi-Leaf-Kollimators (MLC). Zur Bewertung und Validierung von IMRT Plänen werden der Modulation Complexity Score (MCS)-Faktor und der Gamma-Index basierend auf Phantommessungen verwendet. Durch eine vergleichende Analyse verschiedener Kombinationen zielt diese Arbeit darauf ab, den Einfluss auf die Plankomplexität auf die reale Applizierbarkeit bei der Bestrahlung durch den LINAC zu bewerten und durch Variation dieser Parameter zu differenzieren. Hierfür werden 15 realitätsnahe Behandlungspläne – jeweils fünf für Prostata-, Brust- (Mamma) und Kopf- und Halstumoren (HNO) – analysiert und jeder Plan repetitiv optimiert. Der MCS wird berechnet, um die Auswirkungen der Optimierungsparameter auf die Plankomplexität zu bewerten. Zusätzlich werden Messungen an einem Phantom (Delta4+, Scanidos, SWE) vorgenommen, um die berechneten Kenngrößen der Pläne zu vergleichen beziehungsweise zu validieren. Die Ergebnisse der Arbeit tragen zu diesem Fachgebiet bei, indem sie ein klareres Verständnis dafür liefern, wie sich verschiedene Optimierungssparameter auf die Komplexität von realitätsnahen Strahlentherapieplänen und deren dosimetrische Applizierbarkeit auswirkt.