Konrad Preiser
Dr. sc. hum.
Ein neues Programm zur Einführung der inversen Strahlentherapieplanung in die
klinische Praxis
Geboren am 25.05.1962 in Hamburg
Reifeprüfung am 04.06.1981 in Heidelberg
Studiengang der Fachrichtung Elektrotechnik vom WS 1981/82 bis SS 1989
Vordiplom am 05.06.1984 an der TH Darmstadt
Diplom am 09.11.1989 an der TH Darmstadt
Promotionsfach: Deutsches Krebsforschungszentrum (DKFZ)
Doktorvater: Prof. Dr. rer. nat. W. Schlegel
Zusammenfassung
Den Hauptbestandteil der vorliegenden Dissertation bildet die Entwicklung eines
neuartigen Planungsprogrammes für die sogenannte inverse Strahlentherapie. Bei dieser
noch jungen, am Beginn ihrer klinischen Einführung stehenden Therapieform wird eine
wesentlich verbesserte Anpassung der Strahlendosis an das Zielvolumen unter
weitgehender Schonung der Risikoorgane erreicht, indem für jedes der Stehfelder ein
individuelles Intensitätsprofil errechnet wird.
Das Programm bildet einen neuen Bestandteil eines Systems von verschiedenen
Computerprogrammen für die Strahlentherapie, die am Deutschen
Krebsforschungszentrum entstanden und unter dem Namen 'Voxelplan' ständig
fortentwickelt worden sind. Es enthält deshalb Schnittstellen insbesondere zu dem
Segmentierungsprogramm 'Tomas' sowie zu dem Planungsprogramm 'Virtuos' und wurde
ebenfalls in 'C' unter Verwendung des X-Windows-Systems/Motif entwickelt.
Andererseits kann das Planungsprogramm aber nach Anpassung der Dateiformate auch
völlig selbständig außerhalb dieses Programmsystems laufen. Als Rechner dienen
verschiedene Workstations unter unterschiedlichen Varianten der Betriebssysteme Unix
und VMS.
Da das Planungsprogramm in erster Linie für den klinischen Einsatz dienen wird, bildete
die Entwicklung einer leistungsfähigen, graphischen Benutzerschnittstelle einen ganz
wesentlichen Bestandteil der Arbeit. Um dem Arzt den Einstieg in die neue
Planungstechnik zu erleichtern, wurde diese trotz der zugrunde liegenden X-
Windows/Motif-Technik im Look-and-Feel nahezu vollständig an Windows 3.x
angeglichen und u.a. mit einem kontext-abhängigen, mehrsprachigen Hilfesystem sowie
zahlreichen benutzerabhängigen Einstellmöglichkeiten ausgestattet.
Die physikalischen Algorithmen für die inverse Strahlentherapie wurden in strengem
ANSI-C implementiert und eng in das Planungsprogramm integriert, wodurch eine
interaktive Dosisberechnung und Optimierung möglich geworden ist. Während die
Modulationsprofile durch iterative Optimierung berechnet werden, bleibt die
Benutzerschnittstelle aktiv; die aktuellen Ergebnisse werden ständig angezeigt. Der
Anwender kann ggf. die Berechnung anhalten, Parameter ändern und die Berechnung
fortsetzen oder von vorne starten. Dank der ausschließlich dynamischen
Speicherverwaltung und der frei wählbaren Auflösung der Berechnungsmatrizen kann
eine interaktive Planung auch auf weniger leistungsfähigen Rechnern durchgeführt
werden.
Neben einem homogenen, wasseräquivalenten Patientenmodell kann für eine verbesserte
Dosisberechnung auch ein sog. radiologisch korrigiertes Modell ausgewählt werden, bei
dem ein Raytracing durch die CT-Daten durchgeführt wird; eine wahlweise einschaltbare
Zwischenspeicherung von Teilergebnissen bewirkt auf Rechnern mit ausreichendem
Hauptspeicherausbau bei beiden Modellen eine Geschwindigkeitssteigerung um bis zu
100%. Eine bemerkenswert gute Berücksichtigung von Streueffekten bei nur wenig
verminderter Rechengeschwindigkeit ist mittels eines vereinfachten Pencil-Beam-
Algorithmus möglich. Weiterhin ermöglicht das Programm die Berechnung non-
koplanarer Felder und die optionale Berücksichtigung von bis zu fünf Dosis-Volumen-
Bedingungen für jedes Risikoorgan.
An einigen Fallbeispielen wurden erste Erfahrungen mit den erweiterten Berechnungs-
und Bedienungsmöglichkeiten des Planungssystems gesammelt. Inbesondere wurden für
eine Serie von Prostata-Karzinomen unter praxisorientierten Bedingungen inverse
Therapiepläne aufgestellt. Es zeigte sich, daß mit einem zeitlichen Planungsaufwand von
nur wenigen Minuten bessere und zum Teil sogar wesentlich bessere Pläne als in der
bisherigen klinischen Praxis erstellt werden können. An einem ausgedehnten
Bronchialkarzinom wurde der Algorithmus mit radiologischer Tiefenkorrektur getestet,
während an einigen der Prostata-Fälle sowie an einem Tumor im Nackenraum erste
Erfahrungen mit non-koplanaren Einstrahlrichtungen gesammelt wurden.
In mehreren Phantomversuchen wurden mit dem inversen Planungsprogramm aufgestellte
Pläne dosimetrisch verifiziert, wobei sowohl ein dynamischer Multileaf-Kollimator als
auch Kompensatoren zur Modulation der Felder verwendet wurden. Die sehr guten
Ergebnisse bildeten die Grundlage für die erste Patientenbehandlung in Europa mit
inverser Technik Ende 1997.
