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Einreichung Short Paper zur Abschlussarbeit

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Matrikel: 52018765
Autor: Artur Hettich,
Telefon: 04917622602752
E-Mail: arturhettich@gmx.net

Affiliation:

MTR, Universitätsklinikum Heidelberg, Im Neuenheimer Feld 400, 69126 Heidelberg, Deutschland.

Studiengang: Radiological Technologies
Forschungsbereich: Strahlentherapie

Spezialtechniken der Strahlentherapie – Reproduzierbarkeit von Bestrahlungsplänen mit gewebsäquivalentem Bolus

Schlagwörter: Strahlentherapie, gewebsäquivalenter Bolus, Dosisverteilung, Zielvolumen, Risikoorgane

Einleitung

Eine Spezialtechnik in der Strahlentherapie ist die Bestrahlung bei der ein gewebsäquivalenter Bolus angewendet wird. Anders als bei den tieferliegenden Tumoren ist der fehlende Dosisaufbaueffekt, der hier berücksichtigt werden muss, ein Problem bei Tumoren die direkt oder sehr nah an der Hautoberfläche liegen. Der Dosisaufbaueffekt schont im Normalfall die Haut der Patienteninnen und Patienten bei Bestrahlungen von Tumoren die tiefer im Inneren des Körpers liegen und beschreibt die Eigenschaft von Photonen beim Durchdringen von Gewebe erst nach einer gewissen Wegstrecke die volle Wechselwirkung und damit ein Dosismaximum zu erreichen. Die Notwendigkeit des Einsatzes von einem Bolus zur guten Oberflächendosierung wird beispielsweise bei Hsu et al. durch Messreihen an einem Phantom belegt (Hsu, et al., 2008). Heute sind virtuelle Planungen der Bestrahlungspläne Standard in der Strahlentherapie und werden flächendeckend eingesetzt. Vorteile der virtuellen Planung in Bezug auf Genauigkeit und einfachere Handhabung wurden bereits vor Jahren herausgearbeitet und in Reviews wie dem von Aird und Conway publiziert (Aird & Conway, 2002). In den Publikationen wird aktuell stets davon ausgegangen, dass die Bolus Anwendung ganz exakt den idealisierten Vorgaben einer virtuellen Planung entspricht. Es werden nur selten Probleme in der Umsetzung wie von Butson et al. diskutiert, die herausstellten, dass ungewollte Abstände zur Haut zu Dosisverteilungsproblemen im Zielvolumen führen können (Butson, et al., 2000). Denkbar sind jedoch auch andere Fehlerquellen.

Das Ziel dieser Arbeit ist es herauszufinden ob es zu Fehlern bei der Bestrahlung mit einem Bolus kommt die unerkannt sind und ob eine virtuelle Bestrahlungsplanung mit einem Bolus der Realität in der täglichen Umsetzung entspricht. Tatsächliche und mögliche Fehlerquellen sollen außerdem in Ihrer Abhängigkeit zur Auswirkung auf die Dosisverteilung eingeordnet und beurteilt werden.

Methodische Vorgehensweise

Es wurden 27 Fälle einer Bestrahlung mit einem Bolus im Zeitraum eines Jahres retrospektiv aus der Datenbank der Universitätsklinik Heidelberg erhoben und auf ihrer tatsächlichen Bolus Positionen und Ausprägungen hin untersucht. Möglich ist dies durch Bilddatensätze die im Rahmen der täglichen Bestrahlung zur Positionsverifizierung erstellt worden sind. Aus diesen kann die Bolus Position abgelesen oder in ein Planungs-CT durch eine Registrierung übertragen werden. Aus dieser Stichprobe wurden für zwei Einzelfallbetrachtungen Berechnungen zu Dosiswerten im PTV und Risikoorganen angestellt und mit den geplanten Dosiswerten verglichen. Dafür wurden unterschiedliche Szenarien in der Bestrahlungsplanungssoftware RayStation konstruiert und mit Hilfe der Monte Carlo Simulation berechnet. Es wurden aus der Stichprobe ermittelte als auch hypothetische Fehlerquellen berechnet und ausgewertet.

Ergebnisse

Es zeigt sich insgesamt, dass es grundsätzlich eine Abweichung der Bolus Position in allen 465 betrachteten Fraktionen bei den täglichen Fraktionen gab, welche mit einer an sicher grenzenden Wahrscheinlichkeit mit einer Änderung der Dosisverteilung einhergeht. Eine Abweichung von der geplanten Position zeigt sich sowohl bei den Kopf/Hals Bestrahlungen als auch in den thorakalen Bestrahlungen durchgehend über alle Patientinnen und Patienten und alle Diagnosen oder Lagerungsmodalitäten hinweg. Alle Fraktionen weisen eine vertikale, longitudinale und laterale Abweichung um bis zu 1cm auf. Knapp 22% der Kopf/Hals Fraktionen und knapp 28% der thorakalen Fraktionen zeigen bis zu 3cm Abstand zur Haut, also in der vertikalen Ausdehnung. Maximal 5cm Verschiebung in der longitudinalen oder lateralen Ausrichtung im Vergleich zur Planung treffen auf ca. 47% der Kopf/Hals Fraktionen und ca. 74% der thorakalen Fraktionen zu. Größere Abweichungen wurden bis auf die Fraktion 15 bei Fall 1 mit 11cm longitudinal nicht festgestellt, diese brachte gleichzeitig die größte Unterdosierung des PTV bei Fall 1 mit sich. Andere Fehlerquellen, die sich konkret auf den Bolus selber bezogen, als eine nicht geplante Positionierung und Abstand zur Haut wurden in der Stichprobe aus dem Universitätsklinikum Heidelberg nicht festgestellt. Deshalb wurden hypothetische Fehler wie falsche Bolus Stärke oder das Fehlen vom Bolus insgesamt virtuell mit Hilfe der Bestrahlungsplanungssoftware RayStation fingiert und errechnet.

Bei den dosimetrischen Auswertungen traten in beiden Einzelfallbetrachtungen durchgehend Abweichungen in den errechneten Fraktionen in der Dosisverteilung des PTV auf. Im Mittel also bei dem errechneten Summenplan des PTV D99 weicht die Einzelfraktion Dosis im Fall 1 um durchschnittlich -0,01Gy und im Fall 2 durchschnittlich um -0,03Gy ab. Diese Abweichungen liegen stets ganz leicht unterhalb der geplanten Dosis. Es gibt in keinen errechneten oder konstruierten Fall für eine Überdosierung des PTV. Weder eine falsche Stärke des Bolus Materials noch eine übertriebene Wellenbildung, mit entstehenden Air Gaps, konnte eine große Dosisabweichung bewirken. Für beide Einzelfallbetrachtungen werden die Dosisabweichungen in der Tabelle zusammengefasst. Als größten Unterschied in der Dosisverteilung ist hier für beide Einzelfälle das konstruierte Fehlen des Bolus zu benennen. Auch die beste Einzelfraktion weist Abweichungen mit bis zu 1cm, vertikal, longitudinal oder lateral, für beide Einzelfälle auf und bieten gleichzeitig eine fast identische Dosisverteilung sowohl im PTV als auch in den Risikoorganen. Bei den schlechtesten Einzelfraktionen zeigt sich ein Zustand in welchen das Bolus Material großflächig über dem Zielvolumen fehlt und dieses nicht abdeckt, es zeigt sich dort immer ein großer Dosiseinbruch jedoch keine kritischen Dosisabweichungen für die Dosisorgane.

Die errechneten Summenpläne mit der realen Bolus Position konnten trotz kleiner und großer Ausreißer und Abweichungen in den einzelnen Fraktionen eine robuste Dosisverteilung in beiden Einzelfallbetrachtungen für das PTV und die Risikoorganen liefern. Das ist der hohen Anzahl der Fraktionen zu verdanken. Im Mittel gleichen sich solche Abweichungen einfach ausgedrückt aus. Bei Fall 1 betrug die Abweichung -0,6% bei 32 Fraktionen und bei Fall 2 -1,89% bei 25 Fraktionen, von der geplanten D99PTV Dosis der Bestrahlungsplanung.

Diskussion

Es ist festzuhalten, dass es zu unterschiedlichen Dosisverteilungen bei unterschiedlichen Fehlerquellen in den Fallbetrachtungen kommt und dass keine errechnete Fraktion, der tatsächlich durchgeführten Bestrahlungen, in der Dosisverteilung exakt der Bestrahlungsplanung entspricht. Dafür sind nachweislich die dokumentierten Unregelmäßigkeiten in der Positionierung des Bolus verantwortlich. Eine exakte Umsetzung der geplanten Bolus Position scheint nicht umsetzbar zu sein wie man aus dieser Stichprobe zwangsläufig ableiten muss. Die Bestrahlung mit einem Bolus ist anfällig für Dosisschwankungen, wenn die Anwendung nicht präzise nach den Vorgaben aus der Bestrahlungsplanung abläuft. Es wurden Fehlerquellen identifiziert die nur zu einer kleinen Abweichung der Dosis führen, Positionsabweichungen oder falsche Bolus Stärke oder Air Gap Bildung bei einem unregelmäßigen Aufliegen des Bolus auf der Haut. Diese Abweichungen zeigen sich als vernachlässigbar und ergeben unter dem Strich eine mit der Planung vergleichbare Dosisverteilung mit minimalen Abweichungen. Sie treten durchgehend auf. Eine Fehlerquelle führte allerdings zu großen Dosisunterschieden und zwar zur niedrigeren Dosis im Zielvolumen. Das tritt ein, wenn der Bolus vergessen wird oder Teile des Zielvolumen nicht komplett abdeckt. In diesen Szenarien wurden stets starke Abweichungen der Dosisverteilung errechnet.

Daraus kann abgeleitet werden, dass in dieser Untersuchung sich das Fehlen vom Bolus im Zielvolumen als größtes hypothetisches Problem herauskristallisiert hat und die virtuelle Planung in ihrer idealisierten Form nicht der Realität bei der Anwendung vom Bolus entspricht.

Literatur

Aird, E. & Conway, J., 2002. The British Institute of Radiology, CT simulation for radiotherapy treatment planning, Vol. 75.

Butson, M. J., Cheung, T., Yu, P. & Metcalfe, P., 2000. Radiation Measurements, Effects on skin dose from unwanted air gaps under bolus in photon beam radiotherapy, Vol. 32, S.201-204.

Hsu, S.-H.et al., 2008. PHYSICS IN MEDICINE AND BIOLOGY, Assessment of skin dose for breast chest wall, Vol. 53, S.2539-2606.

Abbildungen

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Erstbeurteilung:
Zweitbeurteilung:

Anmerkung: