Purpose Evaluation of clinical outcome of two-weekly high-dose-rate brachytherapy boost after external beam radiotherapy (EBRT) for localized prostate cancer. Methods 338 patients with localized prostate cancer receiving definitive EBRT followed by a two-weekly high-dose-rate brachytherapy boost (HDR-BT boost) in the period of 2002 to 2019 were analyzed. EBRT, delivered in 46 Gy (DMean) in conventional fractionation, was followed by two fractions HDR-BT boost with 9 Gy (D90%) two and four weeks after EBRT. Androgen deprivation therapy (ADT) was added in 176 (52.1%) patients. Genitourinary (GU)/gastrointestinal (GI) toxicity was evaluated utilizing the Common Toxicity Criteria for Adverse Events (version 5.0) and biochemical failure was defined according to the Phoenix definition. Results Median follow-up was 101.8 months. 15 (4.4%)/115 (34.0%)/208 (61.5%) patients had low-/intermediate-/high-risk cancer according to the D`Amico risk classification. Estimated 5-year and 10-year biochemical relapse-free survival (bRFS) was 84.7% and 75.9% for all patients. The estimated 5-year bRFS was 93.3%, 93.4% and 79.5% for low-, intermediate- and high-risk disease, respectively. The estimated 10-year freedom from distant metastasis (FFM) and overall survival (OS) rates were 86.5% and 70.0%. Cumulative 5-year late GU toxicity and late GI toxicity grade ≥ 2 was observed in 19.3% and 5.0% of the patients, respectively. Cumulative 5-year late grade 3 GU/GI toxicity occurred in 3.6%/0.3%. Conclusions Two-weekly HDR-BT boost after EBRT for localized prostate cancer showed an excellent toxicity profile with low GU/GI toxicity rates and effective long-term biochemical control.

Background To implement a tangential treatment technique for whole breast irradiation using the Varian Halcyon and to compare it with Elekta Synergy Agility plans. Methods For 20 patients two comparable treatment plans with respect to dose coverage and normal tissue sparing were generated. Tangential field-in-field treatment plans (Pinnacle/Synergy) were replanned using the sliding window technique (Eclipse/Halcyon). Plan specific QA was performed using the portal Dosimetry and the ArcCHECK phantom. Imaging and treatment dose were evaluated for treatment delivery on both systems using a modified CIRS Phantom. Results The mean number of monitor units for a fraction dose of 2.67 Gy was 515 MUs and 260 MUs for Halcyon and Synergy Agility plans, respectively. The homogeneity index and dose coverage were similar for both treatment units. The plan specific QA showed good agreement between measured and calculated plans. All Halcyon plans passed portal dosimetry QA (3%/2 mm) with 100% points passing and ArcCheck QA (3%/2 mm) with 99.5%. Measurement of the cumulated treatment and imaging dose with the CIRS phantom resulted in lower dose to the contralateral breast for the Halcyon plans. Conclusions For the Varian Halcyon a plan quality similar to the Elekta Synergy device was achieved. For the Halcyon plans the dose contribution from the treatment fields to the contralateral breast was even lower due to less interleaf transmission of the Halcyon MLC and a lower contribution of scattered dose from the collimator system.

Background To increase the image quality of end-expiratory and end-inspiratory phases of retrospective respiratory self-gated 4D MRI data sets using non-rigid image registration for improved target delineation of moving tumors. Methods End-expiratory and end-inspiratory phases of volunteer and patient 4D MRI data sets are used as targets for non-rigid image registration of all other phases using two different registration schemes: In the first, all phases are registered directly (dir-Reg) while next neighbors are successively registered until the target is reached in the second (nn-Reg). Resulting data sets are quantitatively compared using diaphragm and tumor sharpness and the coefficient of variation of regions of interest in the lung, liver, and heart. Qualitative assessment of the patient data regarding noise level, tumor delineation, and overall image quality was performed by blinded reading based on a 4 point Likert scale. Results The median coefficient of variation was lower for both registration schemes compared to the target. Median dir-Reg coefficient of variation of all ROIs was 5.6% lower for expiration and 7.0% lower for inspiration compared with nn-Reg. Statistical significant differences between the two schemes were found in all comparisons. Median sharpness in inspiration is lower compared to expiration sharpness in all cases. Registered data sets were rated better compared to the targets in all categories. Over all categories, mean expiration scores were 2.92 +/- 0.18 for the target, 3.19 +/- 0.22 for nn-Reg and 3.56 +/- 0.14 for dir-Reg and mean inspiration scores 2.25 +/- 0.12 for the target, 2.72 +/- 215 0.04 for nn-Reg and 3.78 +/- 0.04 for dir-Reg. Conclusions In this work, end-expiratory and inspiratory phases of a 4D MRI data sets are used as targets for non-rigid image registration of all other phases. It is qualitatively and quantitatively shown that image quality of the targets can be significantly enhanced leading to improved target delineation of moving tumors.

Ziel dieser Arbeit war es, das gesamte Lungenvolumen in hoher dreidimensionaler Auflösung mittels der MRT darzustellen. Um trotz der niedrigen Protonendichte der Lunge und der geforderten hohen Auflösung ausreichend Signal für eine verlässliche Diagnostik zu erhalten, sind Aufnahmezeiten von einigen Minuten nötig. Um die Untersuchung für den Patienten angenehmer zu gestalten oder auf Grund der eingeschränkten Fähigkeit eines Atemstopps überhaupt erst zu ermöglichen, war eine Anforderung, die Aufnahmen in freier Atmung durchzuführen. Dadurch entstehen allerdings Bewegungsartefakte, die die Diagnostik stark beeinträchtigen und daher möglichst vermieden werden müssen. Für eine Bewegungskompensation der Daten muss die auftretende Atembewegung detektiert werden. Die Bewegungsdetektion kann durch externe Messgeräte (Atemgurt oder Spirometer) oder durch eine zusätzliche Anregungen erfolgen (konventionelle Navigatoren) erfolgen. Nachteile dieser Methoden bestehen darin, dass die Bewegung während der Atmung nicht direkt verfolgt wird, dass elektronische Messgeräte in die Nähe des Tomographen gebracht werden und das die Patienten zusätzlich vorbereitet und eingeschränkt werden. Des Weiteren erfordert eine zusätzliche Anregung extra Messzeit und kann unter Umständen die Magnetisierung auf unterwünschte Weise beeinflussen. Um die angesprochenen Schwierigkeiten der Bewegungsdetektion zu umgehen, wurden in dieser Arbeit innerhalb einer Anregung einer 3d FLASH-Sequenz sowohl Bilddaten- als auch Navigatordaten aufgenommen. Als Navigator diente dabei das nach der Rephasierung aller bildgebenden Gradienten entstehende Signal (DC Signal). Das DC Signal entspricht dabei der Summe aller Signale, die mit einem bestimmten Spulenelement detektiert werden können. Bewegt sich beispielsweise die Leber bedingt durch die Atmung in den Sensitivitätsbereich eines Spulenelementes, wird ein stärkeres DC Signal detektiert werden. Je nach Positionierung auf dem Körper kann so die Atembewegung mit einzelnen räumlich lokalisierten Spulenelementen nachverfolgt werden. Am DC Signalverlauf des für die Bewegungskorrektur ausgewählten Spulenelementes sind dann periodische Signalschwankungen zu erkennen. Zusätzlich können aus dem Verlauf Expirations- von Inspirationszuständen unterschieden werden, da sich Endexpirationszustände im Regelfall durch eine längere Verweildauer auszeichnen. Grundsätzlich kann das DC Signal vor oder nach der eigentlichen Datenaufnahme innerhalb einer Anregung aufgenommen werden. Auf Grund der kurzen Relaxationszeit T∗2 des Lungengewebes fällt das Signal nach der RF Anregung sehr schnell ab. Um möglichst viel Signal zu erhalten sollten, wie in dieser Arbeit gezeigt wurde, innerhalb einer Anregung zuerst die Bilddaten und danach die Navigatordaten aufgenommen werden. Dieser Ansatz führt zu einer Verkürzung der Echozeit TE um 0.3 ms und damit zu einem SNR Gewinn von etwa 20 %. Gleichzeitig ist das verbleibende Signal nach der Datenakquisition und Rephasierung der bildgebenden Gradienten noch ausreichend um die Atembewegung zu erfassen und somit eine Bewegungskorrektur der Daten (Navigation) zu ermöglichen. Um eine retrospektive Bewegungskorrektur durchführen zu können, müssen Akzeptanzbedingungen (Schwellenwerte) für die Datenauswahl festgelegt werden. Bei der Wahl des Schwellenwertes ist darauf zu achten, dass weder zu wenige noch zu viele Daten akzeptiert werden. Akzeptiert man sehr wenige Daten, zeichnen sich die Rekonstruktionen durch einen scharfen Übergang zwischen Lunge und Diaphragma aus, da man sehr wenig Bewegung in den Rekonstruktionen erlaubt. Gleichzeitig erhöht sich allerdings das Risiko, dass nach der Navigation Linien fehlen. Dies führt zu Einfaltungsartefakten, die in Form von gestörten Bildintensitäten in den Rekonstruktionen zu sehen sind und die diagnostische Aussagekraft einschränken. Um Einfaltungsartefakte zu vermeiden sollte der Schwellenwert so gewählt werden, dass nach der Datenauswahl keine Linien fehlen. Aus dieser Anforderung lässt sich ein maximaler Schwellenwert ableiten. Akzeptiert man dagegen sehr viele Daten, zeichnen sich die Rekonstruktionen durch erhöhtes Signal und das vermehrte Auftreten von Bewegungsartefakten aus. In diesem Fall müsste der Arzt entscheiden, ob Bewegungsartefakte die Diagnostik zu stark beeinflussen. Wählt man den Schwellenwert so, dass weder Linien fehlen noch zu viel Bewegung erlaubt wird, erhält man Rekonstruktionen die sich durch einen scharfen Diaphragmaübergang auszeichnen und in denen noch kleinste Gefäße auch in der Nähe des Diaphragmas deutlich zu erkennen sind. Hierfür haben sich Schwellenwerte, die zu einer Datenakzeptanz von ca. 40 % führen als günstig erwiesen. Um Einfaltungsartefakte auf Grund der retrospektiven Datenauswahl zu verhindern, muss das Bildgebungsvolumen mehrfach abgetastet werden. Dadurch wird gewährleistet, dass für die letztendliche Rekonstruktion ausreichend Daten zur Verfügung stehen, wobei mehrfach akzeptierte Daten gemittelt werden. Dies spielt auf Grund der niedrigen Protonendichte der Lunge eine wesentliche Rolle in der Rekonstruktion hochaufgelöster Lungendatensätze. Weiterhin führt das Mitteln von mehrfach akzeptierten Daten zu einer Unterdrückung der sogenannten Ghost Artefakte, was am Beispiel der Herzbewegung in der Arbeit gezeigt wird. Da die Messungen unter freier Atmung durchgeführt werden und keine zusätzlichen externen Messgeräte angeschlossen werden müssen, stellte die Untersuchung für die Patienten in dieser Arbeit kein Problem dar. Im ersten Teil dieser wurde Arbeit gezeigt, dass sich mit Hilfe des DC Signales als Navigator und einer retrospektiven Datenauswahl das gesamte Lungenvolumen in hoher dreidimensionaler Auflösung von beispielsweise 1.6 x 1.6 x 4 mm3 innerhalb von 13 min. darstellen lässt. Die Anwendbarkeit der vorgestellten Methode zur Bewegungskorrektur wurde neben Probanden auch an Patienten demonstriert. Da wie bereits beschrieben das Bildgebungsvolumen mehrfach abgetastet werden muss, wiederholt sich auch die Abfolge der für die Bildgebung verantwortlichen Gradienten periodisch. Da sich der Atemzyklus aber auch periodisch wiederholt, kann es zu Korrelationen zwischen der Atmung und den wiederholten Messungen kommen. Dies führt dazu, dass auch nach vielen wiederholten Messungen immer noch größere Bereiche fehlender Linien im k-Raum bleiben, was zu Artefakten in den Rekonstruktionen führt. Dies konnte im Falle der konventionellen Bewegungskorrektur in den Gatingmasken, die die Verteilung und Häufigkeit der einzelnen akzeptierten Phasenkodierschritte im k-Raum zeigen, beobachtet werden. Da eine vorsätzliche Unterbrechung der Atemperiodizität (der Patient wird dazu angehalten, seine Atemfrequenz während der Messung absichtlich zu variieren) zur Vermeidung der angesprochenen Korrelationen nicht in Frage kommt, musste die Periodizität in der Datenaufnahme unterbrochen werden. In dieser Arbeit wurde dies durch eine quasizufällige Auswahl von Phasen- und Partitionskodiergradienten erreicht, da Quasizufallszahlen so generiert werden, dass sie unabhängig von ihrer Anzahl einen Raum möglichst gleichförmig ausfüllen. Die quasizufällige Datenaufnahme führt deshalb dazu, das sowohl akzeptierte als auch fehlende Linien nach der Bewegungskorrektur homogen im k-Raum verteilt auftreten. Vergleicht man das auftreten von Ghosting zeichnen sich die quasizufälligen Rekonstruktionen im Vergleich zur konventionellen Datenaufnahme durch eine verbesserte Reduktion von Ghost Artefakten aus. Dies ist auf die homogene Verteilung mehrfach akzeptierter Linien im k-Raum zurückzuführen. Die homogenere Verteilung von fehlenden Linien im k-Raum führt weiterhin zu einer wesentlich stabileren Rekonstruktion fehlender Linien mit parallelen MRT-Verfahren (z.B. iterativem Grappa). Dies wird umso deutlicher je höher der Anteil fehlender Linien im k-Raum wird. Im Falle der konventionellen Datenaufnahme werden die zusammenhängenden Bereiche fehlender Linien immer größer, was eine erfolgreiche Rekonstruktion mit iterativem Grappa unmöglich macht. Im Falle der quasizufälligen Datenaufnahme dagegen können auch Datensätze in denen 40% der Linien fehlen einfaltungsartefaktfrei rekonstruiert werden. Im weiteren Verlauf der Arbeit wurde gezeigt, wie die Stabilität der iterativen Grappa Rekonstruktion im Falle der quasizufälligen Datenaufnahme für eine erhebliche Reduktion der gesamten Messzeit genutzt werden kann. So ist in einer Messzeit von nur 74s die Rekonstruktion eines artefaktfreien und bewegungskorrigierten dreidimensionalen Datensatzes der menschlichen Lunge mit einer Auflösung von 2 x 2 x 5 mm3 möglich. Des Weiteren erlaubt die quasizufällige Datenaufnahme in Kombination mit iterativem Grappa die Rekonstruktion von Datensätzen unterschiedlicher Atemphasen von Inspiration bis Expiration (4D Bildgebung). Nach einer Messzeit von 15min. wurden 19 unterschiedliche Atemzustände rekonstruiert, wobei sich der Anteil der fehlenden Linien zwischen 0 und 20 % lag. Im Falle der konventionellen Datenaufnahme wäre eine wesentlich längere Messzeit nötig gewesen, um ähnliche Ergebnisse zu erhalten. Zum Schluss soll noch ein Ausblick über mögliche Weiterentwicklungen und Anwendungsmöglichkeiten, die sich aus den Erkenntnissen dieser Arbeit ergeben haben, gegeben werden. So könnte das quasizufällige Aufnahmeschema um eine Dichtegewichtung erweitert werden. Hierbei würde der zentrale k-Raum Bereich etwas häufiger als die peripheren Bereiche akquiriert werden. Dadurch sollte die iterative Grappa Rekonstruktion noch stabiler funktionieren und Ghost Artefakte besser reduziert werden. Die Verteilung der Linien sollte allerdings nicht zu inhomogen werden, um größere Lücken im k-Raum zu vermeiden. Darüber hinaus könnte die vorgestellte Methode der Bewegungskompensation auch für die Untersuchung anderer Organe oder Körperteile verwendet werden. Voraussetzung wäre lediglich das Vorhandensein dezidierter Spulenanordnungen, mit denen die Bewegung nachverfolgt werden kann. So ist beispielsweise eine dynamische Bildgebung des frei und aktiv bewegten Knies möglich, wobei zwischen Beugung und Streckung durch die erste Ableitung des zentralen k-Raum Signales unterschieden werden kann. Dies kann zusätzliche Diagnoseinformationen liefern oder für Verlaufskontrollen nach Operationen benutzt werden [15]. Eine Weiterentwicklung mit hohem klinischen Potential könnte die Kombination der in dieser Arbeit vorgestellten retrospektiven Bewegungskorrektur mit einer Multi- Gradienten-Echo Sequenz darstellen. Hierzu musste die bestehende Sequenz lediglich um eine mehrfache Abfolge von Auslesegradienten innerhalb einer Anregung erweitert werden. Dies ermöglicht eine bewegungskorrigierte voxelweise Bestimmung der transversalen Relaxationszeit T∗2 in hoher räumlicher Auflösung. Unter zusätzlicher Sauerstoffgabe kann es zu einer Veränderung von T∗2 kommen, die auf den sogenannten BOLD Effekt (Blood Oxygen Level Dependent) zurückzuführen ist. Aus dieser Änderung könnten Rückschlüsse auf hypoxische Tumorareale gezogen werden. Da diese eine erhöhte Strahlenresistenz aufweisen, könnte auf diese Bereiche innerhalb des Tumors eine erhöhte Strahlendosis appliziert und so möglicherweise Behandlungsmisserfolge reduziert werden. Gleichzeitig kann durch die 4D Bildgebung eine mögliche Tumorbewegung durch die Atmung erfasst und diese Information ebenfalls in der Bestrahlungsplanung benutzt werden. Die Lungen MRT könnte somit um eine hochaufgelöste dreidimensionale funktionelle Bildgebung erweitert werden.

Background: The aim of this work is to validate the Dynamic Planning Module in terms of usability and acceptance in the treatment planning workflow. Methods: The Dynamic Planning Module was used for decision making whether a plan adaptation was necessary within one course of radiation therapy. The Module was also used for patients scheduled for re-irradiation to estimate the dose in the pretreated region and calculate the accumulated dose to critical organs at risk. During one year, 370 patients were scheduled for plan adaptation or re-irradiation. All patient cases were classified according to their treated body region. For a sub-group of 20 patients treated with RT for lung cancer, the dosimetric effect of plan adaptation during the main treatment course was evaluated in detail. Changes in tumor volume, frequency of re-planning and the time interval between treatment start and plan adaptation were assessed. Results: The Dynamic Planning Tool was used in 20% of treated patients per year for both approaches nearly equally (42% plan adaptation and 58% re-irradiation). Most cases were assessed for the thoracic body region (51%) followed by pelvis (21%) and head and neck cases (10%). The sub-group evaluation showed that unintended plan adaptation was performed in 38% of the scheduled cases. A median time span between first day of treatment and necessity of adaptation of 17 days (range 4–35 days) was observed. PTV changed by 12 ± 12% on average (maximum change 42%). PTV decreased in 18 of 20 cases due to tumor shrinkage and increased in 2 of 20 cases. Re-planning resulted in a reduction of the mean lung dose of the ipsilateral side in 15 of 20 cases. Conclusion: The experience of one year showed high acceptance of the Dynamic Planning Module in our department for both physicians and medical physicists. The re-planning can potentially reduce the accumulated dose to the organs at risk and ensure a better target volume coverage. In the re-irradiation situation, the Dynamic Planning Tool was used to consider the pretreatment dose, to adapt the actual treatment schema more specifically and to review the accumulated dose.