German Title: Entwicklung eines Modells zur Dosisberechnung als zusätzliches Werkzeug für die Qualitätssicherung in der TomoTherapie

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Abstract

Helical TomoTherapy is a state-of-the-art delivery technique used in photon radiotherapy. This system relies on the superposition of many small fields to precisely administer the prescribed dose to the patient. This thesis presents a new model that predicts dose distributions delivered by TomoTherapy. The model may be used within a dose verification tool for quality assurance purposes. It is based on so-called "energy deposition kernels" and can accurately predict dose distributions in a homogeneous medium for a broad range of field sizes, down to 2 mm in diameter. The model takes into account the two main effects that influence the dose distribution in small fields: (i) the spatial extension of the radiation source and (ii) the loss of charged particle equilibrium (CPE) within the field. The shape of the source is determined by a combination of a "slit-method" reconstruction and a collimator factor fitting procedure, whereas the loss of CPE is taken into account by the use of a poly-energetic pencil beam kernel. The model was successfully validated for a 6 MV photon beam produced by a conventional linear accelerator. The dose verification tool was evaluated for simple beam configurations and used to study the influence of temporal beam parameter variations on the integral dose. The developed model allows to evaluate the performance of devices applying narrow photon beams in the treatment delivery. Furthermore, it can be used as an alternative to the conventional dosimetry of small fields.

Translation of abstract (German)

Die helikale TomoTherapie ist eine moderne Technik in der Strahlentherapie mit Photonen. Das System beruht auf der Überlagerung einer Vielzahl kleiner Felder um die verordnete Dosisverteilung mit hoher Genauigkeit am Patienten zu applizieren. In der vorliegenden Arbeit wurde ein neues Modell entwickelt, mit dem die bei der TomoTherapie applizierte Dosisverteilung vorhergesagt wird. Das Modell kann im Rahmen der Qualitätssicherung für die Verifikation von Dosisverteilungen verwendet werden. Das Modell basiert auf einem sogenannten "Energiedepositions-Kernel" und kann die Dosisverteilung in einem homogenen Medium für Felder bis zu einer Größe von nur 2 mm Durchmesser mit hoher Genauigkeit vorhersagen. Das Modell berücksichtigt zwei wesentliche Einflüsse auf die Dosisverteilung kleiner Felder: (i) die räumliche Ausdehnung der Strahlenquelle und (ii) den Verlust des Sekundärelektronengleichgewichts (SEG) innerhalb des Feldes. Die Form der Strahlenquelle wurde mittels der "Schlitz-Methode" unter zusätzlicher Anpassung eines Kollimator-Faktors rekonstruiert. Das fehlende SEG wird durch einen poly-energetischen Pencil-Beam Kernel berücksichtigt. Das Modell wurde für einen 6 MV Photonenstrahl an einem konventionellen Linearbeschleuniger erfolgreich validiert. Das Werkzeug für die Dosisverifikation wurde für einfache Strahlanordnungen untersucht. Zusätzlich wurde es verwendet um den Einfluss der zeitabhängigen Bestrahlungsparameter auf die Integraldosis zu bestimmen. Das entwickelte Modell ermöglicht die Analyse der Leistungsfähigkeit von Bestrahlungsgeräten beim applizieren kleiner Bestrahlungsfelder in der Strahlentherapie. Darüber stellen die Modellberechnungen eine Alternative zur konventionellen Dosimetrie in kleinen Feldern dar.