English Title: Development of high resolution T2-measurement techniques for the determination of three-dimensional dose distributions by means of MR gel dosimetry and their application in radiotherapy

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Abstract

In der modernen Strahlentherapie werden komplexe Dosisverteilungen erzeugt, deren dreidimensionale Verifikation ein wichtiger Bestandteil der Qualitätskontrolle ist. Die Dosimetrie mit Polymergelen beruht auf der Messung der Spin-Spin-Relaxationsrate R2. Das Ziel dieser Arbeit war die Weiterentwicklung und Optimierung geeigneter Messtechniken zur exakten Bestimmung von R2 am Magnetresonanztomographen (MRT). Es wurden Sequenzen basierend auf Turbo-Spin-Echo- (TSE) und Turbo-Gradienten-Spin-Echo-Techniken (TGSE) mit der Standard-Technik der Gel-Dosimetrie (Carr-Purcell-Meiboom-Gill, (CPMG)) verglichen. Mit einer modifizierten TSE-Sequenz konnte die Messzeit um einen Faktor 7 gegenüber CPMG reduziert werden. Mit TGSE wurde die Messzeit gegenüber CPMG um einen Faktor 5 reduziert verkürzt. Es konnten dabei Dosisfehler von 4,0 (CPMG), 2,6 (TSE) und 3,8 (TGSE) erreicht werden. Die typischen Bragg-Peaks der experimentellen Schwerionentherapie konnten identifiziert werden, allerdings wich die MR-gemessene Dosis im Peak von der geplanten um bis zu 15 ab. In bordotierten, mit Neutronen bestrahlten Gelen konnte nach Normierung keine zusätzliche Dosis durch eine Bor-Neutronen-Einfang-Reaktion gemessen werden. Mit einem modernen Photonen-Therapieverfahren, das heutzutage eine Standardtherapie in der Onkologie darstellt, wurden dagegen gute Ergebnisse erzielt. Eine berechnete Dosisverteilung der Intensitätsmodulierten Strahlentherapie (IMRT) konnte mit der MR-Gel-Dosimetrie in guter Übereinstimmung verifiziert worden, so dass die Polymergel-Dosimetrie für Photonenbestrahlung als vielversprechende Alternative zu konventionellen Dosimetern in der Strahlentherapie angesehen werden kann.

Translation of abstract (English)

The three-dimensional verification of complex dose distributions is an important component of quality assurance in modern radiotherapy. Dosimetry with polymer gels is based on the measurement of the spin-spin relaxation rate R2. In this work, suitable measurement techniques for the exact determination of R2 with magnetic resonance imaging were advanced and optimized. Different pulse sequences based on Turbo Spin Echo (TSE) and Turbo Gradient Spin Echo (TGSE) techniques were compared to the standard technique of gel dosimetry (Carr-Purcell-Meiboom-Gill, CPMG). With a modified TSE sequence the acquisition time could be decreased by a factor of 7 over CPMG. With TGSE the acquisition time was reduced by a factor of 5 ober CPMG. The relative dose errors were determined to be 4.0 (CPMG), 2.6 (TSE) and 3.8 (TGSE). The typical Bragg-peaks of the experimental heavy ion therapy could be identified. However, the MR measured dose in the peaks differed from the planned dose by up to 15 In gels doped with Boron and irradiated with neutrons, no additional dose from a Boron-neutron-capture-reaction was measured after scaling. In contrast, the gel dosimetry yielded good results with photon radiotherapy, representing the standard technique of modern oncology. The verification of a treatment plan of Intensity Modulated Radiotherapy (IMRT) with MR gel dosimetry yielded high conformity with the planned distribution. Therefore, polymer gel dosimetry is a promising alternative to conventional dosimeters for photon irradiation in radiotherapy.