Theorie zur IMRT: - Inverse Planung - Parameter zur ...€¦ · K.-H.Grosser Institut für Strahlentherapie/Radioonkologie-Klinikum Darmstadt DGMP März 2002 Theorie zur IMRT: - Inverse

K.-H.Grosser Institut für Strahlentherapie/Radioonkologie-Klinikum Darmstadt DGMP März 2002

Theorie zur IMRT:- Inverse Planung

- Parameter zur Dosisoptimierung- Step and Shoot am Linac

Karl-Heinz GrosserInstitut für Strahlentherapie/Radioonkologie

Klinikum Darmstadt


Conventional Approach:

Outline Target &

VOIs

Select Technique,

Beam Parameter

3D Dose Calculation

Evaluation of Dose

DistributionOK?

Save Plan, Print,

Export

No

Yes

InversePlanung


Inverse Planning:

Outline Target

& OARs

Select Geo-metricalBeam Param’s

Enter CLINICAL Objectives(dose, weight factors,DVC)

Optimi-zation

Evaluate DoseDistri-bution

Save Plan, Print,

Export

InversePlanung


Optimierungsparameter

Optimierung der physikalischen Dosisverteilung:

- Homogenität und Konformität- Toleranzdosen- Minimal/Maximaldosen- Dosis-Volumen Beziehungen- Einstrahlrichtungen- Vermeidung von Dosisartefakten

Optimierung von biologischen Wirkungsparametern:

- TCP/NTCP- RBE

InversePlanung


F(x) = Σi (di - pi)2

Zielfunktion (Objective Function)

di = f(x1, ..., xn) Aktuelle Dosispi Solldosis

InversePlanung

Randbedingungen: di < dtolxi > 0DVH-Einschränkungen


InversePlanung


Globales Minimum

Lokales Minimum

F(x)

tunneling hill climbing

x

Globales Minimum

Lokales Minimum

xox1

x2

( )( )lxll xFxx r

rrrr ∇⋅−=+ κ1

F(x)

x

InversePlanung


InversePlanung


Small penalty (w)

Vol

ume

DoseDmax

Large penalty (w)DVH

Vol

ume

Dmax

Dose

DVH

InversePlanung


InversePlanung

Konventioneller Plan

Getestete Beam-Konfigurationen im Rahmen der inversen Planung


Inverse Planning:

Outline Target

& OARs

Select Geo-metricalBeam Param’s

Enter CLINICAL Objectives(dose, weight factors,DVC)

Optimi-zation

Evaluate DoseDistri-bution

Save Plan, Print,

Export

InversePlanung


CORVUS

Gantry-winkel

0 40 80 115 245 280 320

KonRaD

KonRadGradienten-verfahren

CorvusSimulated Annealing


InversePlanung


InversePlanung

Anwendung eines 3x3 Median Filters


Step-and-Shoot


“Step-and-shoot” Technik

Dynamische (analoge) Technik

...v(t) v(t) v(t)

B-LeavesA-Leaves

B-LeavesA-Leaves

Step-and-Shoot


Dynamische Technik:

•Schneller

•Komplexe Profile können besser approximiert werden

•Niedrig dosierte Felder tauchen nicht auf

•Komplexer

Step-and-Shoot

•Einfache Erweiterung konventioneller Techniken

•Einfacher zu verifizieren

•Mehr Variationsmöglichkeiten

Step-and-Shoot


Step-and-Shoot

I(x)

x

( ) )( xtxI ⇒

I(x)

x

I(x)

x


( ) ( )

( ) ( )dxxxhAdxd

PxA

dxxxhAdxd

PxA

b

a

b

a

x

x

x

x

00

00

−⋅

−=

−⋅

−=

∫

∫

−−

++

( )( )( )( )ASPSA

ASPSA

⋅=⋅=

−−−

+−+

1

1

I(x)

x

I(x)

x

A+ A+

A−A−

Step-and-Shoot


Durch was wird die Anzahl der Subfelder bestimmt, die für die Bestrahlung eines intensitätsmodulierten

Feldes benötigt werden?•Anzahl der Intensity-Levels•Rastergröße des Gitters•Größe des Zielvolumens•Komplexität des Zielvolumens•Zerlegungsalgorithmus•MLC-Design•Optimierungsverfahren

Faustformel:

5.21 −≈ΨΨ×= LevelN s

Step-and-Shoot


7 Beams, Target 7 Beams, Brainstem

continuous5 levels3 levels2 levels

continuous5 levels3 levels2 levels

Step-and-Shoot


=

042243300000000521233300000000532234344100000533213444210000033213444412000003222444322000003322344421200000021444431200000012444442200000000344443100000000343333300000000444334400000000343333320000000343333330000000244333332000000444433330000000032322220

A ( )( )( )3,2,2,1,1,1

3,2,1,1,1,1

2,2,1,1,1,1

3

2

1

===

S

S

S

r

r

r

Step-and-Shoot

Minimierung der Anzahl der Subfelder:Beispiel: Klinische Intensity Map optimiert mit dem inversen

Planungsprogramm KonRad

17x15 Matrix – 5 Level:Es existieren genau drei verschiedene minimale Lösungen, die sich in mindes_tens einem Feldgewicht unterscheiden.


Minimale Feldzahl als Funktion der Feldzahl der Sweepzerlegung

2

3

4

5

6

7

8

4 5 6 7 8 9

Feldzahl Sweepzerlegung

Min

imale

Feld

zahl

Minimale Feldzahl Polynomisch (Minimale Feldzahl)

Häufigkeit der Feldgewichte minimaler Lösungen

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

1 2 3 4 5Feldgewicht

An

za

hl

Häufigkeit Exponentiell (Häufigkeit)

Step-and-Shoot

Eigenschaften minimaler Zerlegungen


Matchline Under-Dose

70

80

90

100

-30 -20 -10 0 10 20 30

Off Axis in mm

Dose

in %

Transversale Matchlines

Tongue and Groove Under-Dose

70

80

90

100

-30 -20 -10 0 10 20 30Off Axis in mm

Dos

e in

%

Tongue and Groove Effect

Step-and-Shoot


Step-and-Shoot


Geld

IMRT

?

Zeit

Benefit

Fazit

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