4D annoslaskenta protonisuihkupyyhkäisyhoidoissa

Proton therapy using pencil beam scanning (PBS) has become more common in cancer treatment during the recent decades. Motion due to the patient's respiration still poses a problem for high-precision PBS treatments, and there is a need to quantify and predict the effects of respiratory motion with greater accuracy. A possible solution to this problem is the use of 4-dimensional (4D) dose calculation. 4D dose calculation aims to take into account the breathing motion of the patient, and it could be used to aid treatment planning and adaptations between fractions. In this thesis, the required background knowledge to understand 4D dose calculation is presented, after which a workflow for both retrospective 4D dose reconstruction using treatment log files, and for prospective 4D dose calculation utilizing a treatment simulation is introduced. The workflows are also carried out in two experiment cases using artificial 4D CT images and a breathing signal. The results indicate a significant difference to the reference dose in all cases, with an increase in movement amplitude corresponding to a larger difference. The effects of the interplay effect are also visible as dose hot and cold spots in all cases, but the magnitude of the interplay is not found to be affected by the motion amplitude. The results of prospective 4D dose calculations are also found to differ from the retrospective dose reconstruction, although the magnitude of the breathing motion's effects is found to be similar in both cases.Protonihoidot, joissa käytetään protonisuihkupyyhkäisyä (PSP), ovat yleistyneet syöpähoidoissa viime vuosikymmeninä. Potilaan hengitysliike hoidon aikana on kuitenkin ongelma PSP:n tarkkuudelle, ja tarve määrittää ja ennustaa hengitysliikkeen vaikutukset entistä tarkemmin on kasvanut. Yksi mahdollinen ratkaisu tähän ongelmaan on neliulotteinen (4D) annoslaskenta. Sen tarkoituksena on ottaa potilaan hengitysliike hoidon aikana huomioon. 4D annoslaskentaa on mahdollista käyttää esimerkiksi hoitojen suunnittelussa sekä hoitojen mukauttamisessa hoitojaksojen välissä. Tässä diplomityössä käydään läpi tarvittavat taustatiedot 4D annoslaskennan ymmärtämiseksi. Tämän jälkeen esitellään metodit sekä retrospektiiviseen 4D annoksen uudelleenrakennukseen käyttäen hoidon aikana kerättyjä lokitiedostoja että prospektiiviseen 4D annoslaskentaan käyttäen hoitosimulaatiota. Metodia käytetään myös kahdessa kokeellisessa testissä hyödyntäen keinotekoisia 4D tietokonetomografiakuvia sekä hengityssignaalia. Kokeen tulokset osoittavat huomattavan eron viitesäteilyannokseen kaikissa tapauksissa, ja suurempi liikkeen amplitudi johti suurempaan eroon viitteestä. Myös niin kutsutun vuorovaikutusefektin vaikutukset ovat nähtävissä säteilyannosten paikallisina pienentyminä ja suurentumina. Vuorovaikutusefektin vaikutusten ei huomattu kasvavan liikkeen amplitudin kasvaessa. Myös prospektiivisen sekä retrospektiivisen 4D annoslaskennan tulokset poikkeavat toisistaan, mutta hengitysliikkeen efektit ovat molemmissa tapauksissa lähes saman suuruisia