Alogrithms for the optimization of spatial dose-distributions for conformal radiotherapy under consideration of biological and physical objectives

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Die Optimierung einer Strahlenbehandlung erfolgt in der Regel auf der Grundlage berechneter räumlicher Dosisverteilungen als Kompromiß zwischen Wirksamkeit der Strahlung im Tumor und ihrer Toxizität im gesunden Gewebe. Zur Beeinflussung der Dosisverteilung stehen bei den neuen konformierenden Bestrahlungstechniken eine Vielzahl physikalischer und geometrischer Parameter einschließlich der Möglichkeit der Strahlungsmodulation zur Verfügung. Die damit verbundene Komplexität der Bestrahlungsplanung, vor allem zusätzlich noch bei Einschluß biologischer Kriterien erfordert weitreichende und praxisnahe Lösungen zur Planoptimierung. Mit diesem Projekt soll durch Rückgriff auf moderne mathematische Optimierungsverfahren, wie sie in anderen physikalischen und technischen Bereichen angewendet werden, ein neuer Ansatz eines biologischen Optimierungsmodells der Dosiswirkung mit mindestens 105 Variablen verfolgt werden. Dabei sind als physikalische Nebenbedingungen nur Anzahl und als Startwertesatz die Einfallrichtungen der Strahlenfeder und als biologisch/medizinische Nebenbedingungen Masszahlen zur Quantifizierung der Strahlenwirkung festzulegen. Die Ziele des Projektes sind es, unter Berücksichtigung der verschiedenen technischen Verfahren zur Erzeugung intensitätsmodulierter irregulärer Strahlenfelder geeignete, weitere physikalische Nebenbedingungen herzuleiten, effiziente Algorithmen zur Lösung des resultierenden finiten bzw. semi-infiniten stetigen Optimierungsproblems unter Berücksichtigung physikalischer und biologischer Kriterien zu entwickeln, ein heuristisches Verfahren zur Optimierung der Einstrahlrichtungen anzugeben, die Algorithmen an klinischen Beispielen, insbesondere an Lungentumoren, zu testen und sie schließlich mit handelsüblicher Software zur Bestrahlungsplanung zu einem klinisch einsetzbaren Programmpaket zusammenzufassen.