Radiation Therapy and Dosimetry Sehr geehrter Herr Prof. Schweppe, meine Damen u. Herren, auch ich möchte mich zunächst für die Einladung bedanken. Wenn man sich gegenwärtig mit dem Thema Mammakarzinome aus strahlentherapeutischer Sicht beschäftigt, so merkt man, daß mehr Fragen ofen als beantwortet sind. Auch ist eine umfassende Betrachtung in der Kürze der Zeit kaum möglich, so daß wir das Thema auch in zwei Abschnitte unterteilt haben, die z.T. schlagwortarig dargestellt werden Björn Poppe, Armand Djouguela. Hui Khee Looe, Ndimofor Chofor, Daniela Wagne, Sarah Heidorn, Julia Riediger…

Founded in 1869 in honour of pope Pius IX Pius-Hospital Founded in 1869 in honour of pope Pius IX nowadays the largest catholic hospital in north-western Germany Clinic für Radiotherapy and internistical Oncology approx. 50 employees 2 LINACS , 1 Co-60, 1 Brachytherapy approx.1500 patients per year Medical Radiation Physics Group with approx. 16 members

(University and Pius-Hospital, Oldenburg) WG Medizinische Strahlenphysik (University and Pius-Hospital, Oldenburg) Cooperation in Medical Radiation Physics between both institutions Group Members 5 Medical Physics Experts 4 Physicists 3 Bachelor-Engineering 1 PTA Rad. Protection Rad. Therapy Nuclear Medicine Radiology Teaching: - University MTR-A School Radiation Prot. Courses Research & Development: Dosimetry Radiology (ZKH LDW, Bremen) Radiation Protection (Oeko-Institute, BfS) Foreign Cooperations Pakistan (Aga Khan Society) Nicaragua (Uni Managua, IAEA) Afghanistan (Kabul)

Education in Medical Radiation Phyiscs: Suggested Lectures/Seminars: - Physics of Radiation Therapy and Dosimetry Seminar: Modern Aspects of Medical Radiation Physics (Fr. 12:00-14:00, Pius Nursery School) Seminar: Radioactivity and Radiation Protection ( H. Fischer, Universit y of Bremen, Mo 10.00-12.00, NW1 N1250) Neurophysik und Bildgebung (Neurophysics and Imaging, S. Uppenkamp, SS) Kernphysik (Nuclear Physics, SS Treatment Planning (in preparation) „Einführung in die Mediznische Physik“ (Medicine for Physicists), SS) Environmental Radioactivity (H. Fischer University of Bremen, SS) Internships in Pius (especially when you are interested in professional career in medical physics Advanced students: - Radiation protection courses Bachelor / Master Thesis (Waiting List approx. 6 month Bachelor, 8 month Master) to be on waiting list: passed lecture and seminars, interview (no exam !) Additional Training Courses (for students writing their Master Thesis only) Medical Physics Expert (Physicist in Hospital), 2 years practical experience + 2 radiation protection courses

Education in Medical Radiation Phyiscs: Suggested Lectures/Seminars: Physics of Radiation Therapy and Dosimetry Seminar: Modern Aspects of Medical Radiation Physics (Fr. 12:00-14:00, Pius Nursery School) Neurophysik und Bildgebung (Neurophysics and Imaging, S. Uppenkamp, SS) Kernphysik (Nuclear Physics, SS) „Einführung in die Mediznische Physik“ (Medicine for Physicists), SS) Internships in Pius Bachelor / Master Thesis Additional Training Courses (for students writing their Master Thesis only)

WebPage: www.uni-oldenburg.de/medical-radiation-physics

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Contents: According to IAEA

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Rules 1 Lecture per week ( 1-2 labs in Pius, Friday afternoon) Power Points available together with tests on webpage 1 Test per week (multiple choice) Test available on webside, On-line test you have exactly 1 week to take the test you will get randomn questions to the lecture (10 questions) 90 minutes to answer, first submission „counts“ for training purposes you may take tests several times, but only the first trial counts

Rules 7 out of 10 questions must be right to pass 8 passed tests to write the final exam all tests together 1/3 of the grade last lecture small talk under conference conditions ( 8 minutes, 2 minutes questions, „no questions“ no A) Final Exam (Multiple Choice) Grade: 1/3 Tests, 1/3 talk, 1/3 Exam

Tests available on webpage: Login: DGMP Password: DGMP

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Introduction

Cancer Malfunction of cells of the body Uncontrolled cell growing -> tumor All cells of the body may form tumors Head and Neck aus Frenzel „Strahlentherapie“ Bronchial-Carcinoma

Cancer Malfunction in DNA Reason: Mutations e.g. : spontanously chemical radiation hereditary aus Frenzel „Strahlentherapie“

Cancer second often occuring reason for dying in Germany since beginning of 20th century increased by a factor of 7 reason: increased live expectancy

Cancer Tumor –Therapy Removement of tumor Treatment of Metastatis Radiotherapy OPERATION CHEMOTHERAPY HORMONTHERAPY IMMUNTHERAPY Removement of tumor Treatment of Metastatis

Cancer Aims of Radiotherapy: local tumor control destruction of the tumor destruction of tumor rest after surgery destruction of sub-clinical tumor manifestations in lymph-nodes

Effect of ionising radiation on cells Direct effects Damaging of DNA of tumor cells Limited repair abilities (in comparison to healthy tissue) Reproductive cell death Indirect effect Ionisation of H20 moleculs Free radicals (cytotoxin) Cell death (direct oder reproductive) H20 + g e-aq+ OH + H +H202

Effect of ionising radiation on cells II Unit of absorbed dose: Gray 1 Gy = 1 J/kg Important dose values: Total body: Lethal-Dose 4,5 Gy (50% probability within 30 days) Organs (Risk of complication: 5% in 5 years) Skin 70Gy (10cm2) Necrosis Lung 17,5 Gy (100%); 45 Gy (30%) Pneumony Rectum 60 Gy Nekrosis Bladder 65 Gy Nekrosis Tumordoses Mama-Carcinoma 50,4 - 54 Gy ( Fractions of 1,8Gy) Prostate bis 81Gy ( common 70-74 Gy in 1,8Gy)

Effect on Cells III Energy of a photon is transfered to electron Energy transfer by scatter processes Energy of a photon is transfered to electron electrons loose further energy to tissues

Brachy- und Teletherapy Radiotherapy „Brachy“ (greek) = close „Tele“ (greek) = far Brachytherapy Teletherapy Radiation source inside body Radiation source outside body

Used types or radiation: Radiation Energy Creation Application Photons some 100kV x-ray tube surface 1,3MeV Co-60 general 4-6MV Accelerator mid depth 10-24MV Accelerator deep seated Elektrons 4-24MeV Accelerator < 10cm depth Protons/ 70-250MeV Acclerator all depths; Heavy Ions Accuracy ( < mm) Neutrons only in some institution

Basic Problem of Teletherapy: High dose to normal tissues Cut through patient Target (Tumor) Lower dose to normal tissue

Tumor-Control-Probability (TCP) vs. Normal-Tissue-Complication-Probablity (NTCP) 100 % 50 % 0 % Probability Tumor Control / Complication Absorbierte Dosis im Tumor [Gy] Tumor Control Complication in Organ-at-Risk Target (Tumor) Organ-at-Risk Therapeutic Range

Strategy of Modern Radiotherapy Decrease of dose to Organs-at-Risk: allows an increas of dose in target without increasing probablility for complications in organ-at-risks increase of dose in target increases tumor control probability - and therefore to an increase of life expectancy

Machines and Techniques

Radiation Therapy till 1940 100 treatments in 9 months 50 treatments in 30 months Early cures. In 1899, in Stockholm, Thor Stenbeck initiated the treatment of a 49-year-old woman's basal-cell carcinoma of the skin of the nose (above), delivering over 100 treatments in the course of 9 months. The patient was living and well 30 years later. At the same time, Tage Sjörgen cured a squamous cell epithelioma with fifty treatments over 30 months (below). Many patients marveled at the experience of receiving radiations. 1899: Basal-Zell Karzinom der Haut (100 Behandlungen im Zeitraum von 9 Monaten) Today: bis 40 treatments in approx. 8 weeks

Radiation therapy after1940 “Cobalt-bomb“ Pius-Hospital approx. 1960

Radiation Theapy after 1956 Henry Kaplan, 6 MV Stanford linac and first treatment, 1956. Henry Kaplan, the founding father of the linac in the U.S., is seen at left next to his first installed 6 MV medical linac in late 1955. The first patient, a boy with retinoblastoma (right) was treated in January 1956. Forty years later the boy remains disease free and retains his vision. Kaplan's legacy includes a search for new technologies in cancer therapy, with care toward exacting standards for use.

Modern Linear Accelerators Henry Kaplan, 6 MV Stanford linac and first treatment, 1956. Henry Kaplan, the founding father of the linac in the U.S., is seen at left next to his first installed 6 MV medical linac in late 1955. The first patient, a boy with retinoblastoma (right) was treated in January 1956. Forty years later the boy remains disease free and retains his vision. Kaplan's legacy includes a search for new technologies in cancer therapy, with care toward exacting standards for use.

Modern LINACS Henry Kaplan, 6 MV Stanford linac and first treatment, 1956. Henry Kaplan, the founding father of the linac in the U.S., is seen at left next to his first installed 6 MV medical linac in late 1955. The first patient, a boy with retinoblastoma (right) was treated in January 1956. Forty years later the boy remains disease free and retains his vision. Kaplan's legacy includes a search for new technologies in cancer therapy, with care toward exacting standards for use. aus Schlegel et al „3D-Conformal Radiation Therapy“

Modern LINACS Henry Kaplan, 6 MV Stanford linac and first treatment, 1956. Henry Kaplan, the founding father of the linac in the U.S., is seen at left next to his first installed 6 MV medical linac in late 1955. The first patient, a boy with retinoblastoma (right) was treated in January 1956. Forty years later the boy remains disease free and retains his vision. Kaplan's legacy includes a search for new technologies in cancer therapy, with care toward exacting standards for use.

Modern LINACS Electrons from Accelerator Henry Kaplan, 6 MV Stanford linac and first treatment, 1956. Henry Kaplan, the founding father of the linac in the U.S., is seen at left next to his first installed 6 MV medical linac in late 1955. The first patient, a boy with retinoblastoma (right) was treated in January 1956. Forty years later the boy remains disease free and retains his vision. Kaplan's legacy includes a search for new technologies in cancer therapy, with care toward exacting standards for use.

Modern LINACS Boyer, Physics Today 9/2002 Henry Kaplan, 6 MV Stanford linac and first treatment, 1956. Henry Kaplan, the founding father of the linac in the U.S., is seen at left next to his first installed 6 MV medical linac in late 1955. The first patient, a boy with retinoblastoma (right) was treated in January 1956. Forty years later the boy remains disease free and retains his vision. Kaplan's legacy includes a search for new technologies in cancer therapy, with care toward exacting standards for use.

Multileaf-Collimator (MLC) Organ-at-Risk Target additional block(s) MLC-Feld Conformal field shape with optimal sparing of healthy tissue and organs-at-risk Squared Field Henry Kaplan, 6 MV Stanford linac and first treatment, 1956. Henry Kaplan, the founding father of the linac in the U.S., is seen at left next to his first installed 6 MV medical linac in late 1955. The first patient, a boy with retinoblastoma (right) was treated in January 1956. Forty years later the boy remains disease free and retains his vision. Kaplan's legacy includes a search for new technologies in cancer therapy, with care toward exacting standards for use.

MLC Henry Kaplan, 6 MV Stanford linac and first treatment, 1956. Henry Kaplan, the founding father of the linac in the U.S., is seen at left next to his first installed 6 MV medical linac in late 1955. The first patient, a boy with retinoblastoma (right) was treated in January 1956. Forty years later the boy remains disease free and retains his vision. Kaplan's legacy includes a search for new technologies in cancer therapy, with care toward exacting standards for use.

Typical Treatment: MR-scan Computer- Image set planning Patient CT-scan Image set Patient Computer- planning Irradiation Simulator

Target (Prostate + Safety Margin) Anschließend wird in den einzelnen Schichten das Zielvolumen eingezeichnet , hier in gelb die Prostata und die Samenblasen bei einem Prostatatkarzinom, Dann wird ein Sicherheitsaum um das Zielgewebe festgelegt, hier in rot, der u.a. Lagevariabiltäten durch unterschiedliche Blasenfüllungen und Darmfüllungen bei den täglichen bestrahlungen berücksichtigt. Zusätzlich werden die Konturen der zu breücksichtigenden Normalgewbe eingezeichnet wie Hüftknochen, hier in blau, Mastadrm, hier in Türkis und Blase, hier in rosa.. Organs-At-Risk

1 3 2 Es wird dann von der zuständigen Medizinphysikerin oder dem zuständigen Medizinphysiker ein Bestrahlungsplan erstellt, d.h. es werden die Bestrahlungsfelder und Einfallrichtungen festgelegt, die eine möglichste gute Shconung der Normalgewebe und eine vollständige Erfassung des Zielvolumens ermöglichen. In diesem fallen beispielsweis ein feld von vorne und zwei Felder von den Seite.

95% 50% Der Computer kann dann die sogenannte Dosisverteilung anzeigen, also wieviel Prozent der verordneten Strahlung an welcher Stellen ankommt.Dies geschieht durch farbige Linien, die Bereiche eingrenzen, welche eine bestimmte Mindestdosis erhalten. In diesem Beispeil umschließt die Blaue Linie ein Volumen, daß mindestens 50 % der verordneten Dosis erhält. Das Zielvolumen ist von der grünen Linie, dh. Der 95% Isodose umschlosssen, damit erhält jede Zelle im Zielvolumen mindetsens 95% der verordenten Dosis.

Der Computer kann dann die sogenannte Dosisverteilung anzeigen, also wieviel Prozent der verordneten Strahlung an welcher Stellen ankommt.Dies geschieht durch farbige Linien, die Bereiche eingrenzen, welche eine bestimmte Mindestdosis erhalten. In diesem Beispeil umschließt die Blaue Linie ein Volumen, daß mindestens 50 % der verordneten Dosis erhält. Das Zielvolumen ist von der grünen Linie, dh. Der 95% Isodose umschlosssen, damit erhält jede Zelle im Zielvolumen mindetsens 95% der verordenten Dosis.

Intensity Modulated Radiation Therapy Zunächst möchte ich ihnen jedoch unsere Klinik kurz vorstellen: Das Pius-Hopsital Oldenburg ist ein kirchliches Versorgungskrankenhaus. Zur Zeit bestraheln wir mit 2 Linearbeschleungern und einer Telecobaltanlage und behandeln etwa 1500 Patienten pro Jahr. Hier unten habe ich übrigens noch einen weiteren Grund für die Wahl des Vortragtstitels aufgeführt: Im letzten Jahr haben wir uns mit einem großen Teil der Mir´tarbeiten zusammengesetzt und ein bindendes Leitbild für unser Krankenhaus erstellt. Das einige dieser Punkte schon von eh und je in unserer Disziplin verwirklicht werden, zeigt das Bild hier auf der rehcten Seite einer damals modernen Telecobaltanlage... Das eine gewisse Ráritaet da.Heutzutage , da die Linearbeschleuniger auf Hochglanzprospekten heutzutage zwar immer noch von Models in weisser Kleidung angepriesen werden doch sind diese wohl meist etwas juenger und man könnte wohl sogar sagen leichter Bekleidet.... aus Schlegel et al „3D-Conformal Radiation Therapy“

IMRT homogenous Wedegd fields Zunächst möchte ich ihnen jedoch unsere Klinik kurz vorstellen: Das Pius-Hopsital Oldenburg ist ein kirchliches Versorgungskrankenhaus. Zur Zeit bestraheln wir mit 2 Linearbeschleungern und einer Telecobaltanlage und behandeln etwa 1500 Patienten pro Jahr. Hier unten habe ich übrigens noch einen weiteren Grund für die Wahl des Vortragtstitels aufgeführt: Im letzten Jahr haben wir uns mit einem großen Teil der Mir´tarbeiten zusammengesetzt und ein bindendes Leitbild für unser Krankenhaus erstellt. Das einige dieser Punkte schon von eh und je in unserer Disziplin verwirklicht werden, zeigt das Bild hier auf der rehcten Seite einer damals modernen Telecobaltanlage... Das eine gewisse Ráritaet da.Heutzutage , da die Linearbeschleuniger auf Hochglanzprospekten heutzutage zwar immer noch von Models in weisser Kleidung angepriesen werden doch sind diese wohl meist etwas juenger und man könnte wohl sogar sagen leichter Bekleidet.... Typical intensity distributions of conformal therapy Intensity distribution in IMRT

IMRT: Step-and-Shot Zunächst möchte ich ihnen jedoch unsere Klinik kurz vorstellen: Das Pius-Hopsital Oldenburg ist ein kirchliches Versorgungskrankenhaus. Zur Zeit bestraheln wir mit 2 Linearbeschleungern und einer Telecobaltanlage und behandeln etwa 1500 Patienten pro Jahr. Hier unten habe ich übrigens noch einen weiteren Grund für die Wahl des Vortragtstitels aufgeführt: Im letzten Jahr haben wir uns mit einem großen Teil der Mir´tarbeiten zusammengesetzt und ein bindendes Leitbild für unser Krankenhaus erstellt. Das einige dieser Punkte schon von eh und je in unserer Disziplin verwirklicht werden, zeigt das Bild hier auf der rehcten Seite einer damals modernen Telecobaltanlage... Das eine gewisse Ráritaet da.Heutzutage , da die Linearbeschleuniger auf Hochglanzprospekten heutzutage zwar immer noch von Models in weisser Kleidung angepriesen werden doch sind diese wohl meist etwas juenger und man könnte wohl sogar sagen leichter Bekleidet....

IMRT: Sliding Window Zunächst möchte ich ihnen jedoch unsere Klinik kurz vorstellen: Das Pius-Hopsital Oldenburg ist ein kirchliches Versorgungskrankenhaus. Zur Zeit bestraheln wir mit 2 Linearbeschleungern und einer Telecobaltanlage und behandeln etwa 1500 Patienten pro Jahr. Hier unten habe ich übrigens noch einen weiteren Grund für die Wahl des Vortragtstitels aufgeführt: Im letzten Jahr haben wir uns mit einem großen Teil der Mir´tarbeiten zusammengesetzt und ein bindendes Leitbild für unser Krankenhaus erstellt. Das einige dieser Punkte schon von eh und je in unserer Disziplin verwirklicht werden, zeigt das Bild hier auf der rehcten Seite einer damals modernen Telecobaltanlage... Das eine gewisse Ráritaet da.Heutzutage , da die Linearbeschleuniger auf Hochglanzprospekten heutzutage zwar immer noch von Models in weisser Kleidung angepriesen werden doch sind diese wohl meist etwas juenger und man könnte wohl sogar sagen leichter Bekleidet....

IMRT Zunächst möchte ich ihnen jedoch unsere Klinik kurz vorstellen: Das Pius-Hopsital Oldenburg ist ein kirchliches Versorgungskrankenhaus. Zur Zeit bestraheln wir mit 2 Linearbeschleungern und einer Telecobaltanlage und behandeln etwa 1500 Patienten pro Jahr. Hier unten habe ich übrigens noch einen weiteren Grund für die Wahl des Vortragtstitels aufgeführt: Im letzten Jahr haben wir uns mit einem großen Teil der Mir´tarbeiten zusammengesetzt und ein bindendes Leitbild für unser Krankenhaus erstellt. Das einige dieser Punkte schon von eh und je in unserer Disziplin verwirklicht werden, zeigt das Bild hier auf der rehcten Seite einer damals modernen Telecobaltanlage... Das eine gewisse Ráritaet da.Heutzutage , da die Linearbeschleuniger auf Hochglanzprospekten heutzutage zwar immer noch von Models in weisser Kleidung angepriesen werden doch sind diese wohl meist etwas juenger und man könnte wohl sogar sagen leichter Bekleidet....

Homework for next week: - Visit webpage and register in „Weiterbildungsportal“ Register in Stud.IP Next week: Chapter 1 of IAEA book (read if possible) - Lecture will be given by S. Heidorn Zunächst möchte ich ihnen jedoch unsere Klinik kurz vorstellen: Das Pius-Hopsital Oldenburg ist ein kirchliches Versorgungskrankenhaus. Zur Zeit bestraheln wir mit 2 Linearbeschleungern und einer Telecobaltanlage und behandeln etwa 1500 Patienten pro Jahr. Hier unten habe ich übrigens noch einen weiteren Grund für die Wahl des Vortragtstitels aufgeführt: Im letzten Jahr haben wir uns mit einem großen Teil der Mir´tarbeiten zusammengesetzt und ein bindendes Leitbild für unser Krankenhaus erstellt. Das einige dieser Punkte schon von eh und je in unserer Disziplin verwirklicht werden, zeigt das Bild hier auf der rehcten Seite einer damals modernen Telecobaltanlage... Das eine gewisse Ráritaet da.Heutzutage , da die Linearbeschleuniger auf Hochglanzprospekten heutzutage zwar immer noch von Models in weisser Kleidung angepriesen werden doch sind diese wohl meist etwas juenger und man könnte wohl sogar sagen leichter Bekleidet....