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Background The use of high accuracy dose calculation algorithms, such as Monte Carlo (MC) and Collapsed Cone (CC) determine dose in inhomogeneous tissue more accurately than pencil beam (PB) algorithms. However, prescription protocols based on clinical experience with PB are often used for treatment plans calculated with CC. This may lead to treatment plans with changes in field size (FS) and changes in dose to organs at risk (OAR), especially for small tumor volumes in lung tissue treated with SABR. Methods We re-evaluated 17 3D-conformal treatment plans for small intrapulmonary lesions with a prescription of 60 Gy in fractions of 7.5 Gy to the 80% isodose. All treatment plans were initially calculated in Oncentra MasterPlan® using a PB algorithm and recalculated with CC (CCre-calc). Furthermore, a CC-based plan with coverage similar to the PB plan (CCcov) and a CC plan with relaxed coverage criteria (CCclin), were created. The plans were analyzed in terms of Dmean, Dmin, Dmax and coverage for GTV, PTV and ITV. Changes in mean lung dose (MLD), V10Gy and V20Gy were evaluated for the lungs. The re-planned CC plans were compared to the original PB plans regarding changes in total monitor units (MU) and average FS. Results When PB plans were recalculated with CC, the average V60Gy of GTV, ITV and PTV decreased by 13.2%, 19.9% and 41.4%, respectively. Average Dmean decreased by 9% (GTV), 11.6% (ITV) and 14.2% (PTV). Dmin decreased by 18.5% (GTV), 21.3% (ITV) and 17.5% (PTV). Dmax declined by 7.5%. PTV coverage correlated with PTV volume (p < 0.001). MLD, V10Gy, and V20Gy were significantly reduced in the CC plans. Both, CCcov and CCclin had significantly increased MUs and FS compared to PB. Conclusions Recalculation of PB plans for small lung lesions with CC showed a strong decline in dose and coverage in GTV, ITV and PTV, and declined dose in the lung. Thus, switching from a PB algorithm to CC, while aiming to obtain similar target coverage, can be associated with application of more MU and extension of radiotherapy fields, causing greater OAR exposition.

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This article reports on a 4D-treatment planning workshop (4DTPW), held on 7-8 December 2009 at the Paul Scherrer Institut (PSI) in Villigen, Switzerland. The participants were all members of institutions actively involved in particle therapy delivery and research. The purpose of the 4DTPW was to discuss current approaches, challenges, and future research directions in 4D-treatment planning in the context of actively scanned particle radiotherapy. Key aspects were addressed in plenary sessions, in which leaders of the field summarized the state-of-the-art. Each plenary session was followed by an extensive discussion. As a result, this article presents a summary of recommendations for the treatment of mobile targets (intrafractional changes) with actively scanned particles and a list of requirements to elaborate and apply these guidelines clinically.

Bedingt durch den Klimawandel und die Verteuerung fossiler Rohstoffe wird der Bedarf an effizienten Energiewandlern in naher Zukunft stark steigen. Brennstoffzellen bieten aufgrund ihrer Funktionsweise einige Vorteile gegenüber den bislang verwendeten thermischen Wandlungsverfahren, die hauptsächlich auf thermodynamischen Kreisprozessen beruhen. Bislang scheitert der kommerzielle Einsatz von Brennstoffzellen an hohen Preisen u.a. für den Edelmetallkatalysator. Auch die Lebensdauer der teuren Zellen ist durch die Korrosion des Kohlenstoffträgersubstrats auf der Sauerstoffseite limitiert. Die in den neunziger Jahren entdeckten Kohlenstoff-Nanoröhrchen (Carbon Nanotubes, CNT) weisen bemerkenswerte Eigenschaften gegenüber amorphem Kohlenstoff auf. Aufgrund ihrer Struktur sind sie in der Lage, poröse, elektrisch leitfähige und mechanisch stabile Netzwerke zu bilden, was sie als Elektrodenmaterial für PEM-Brennstoffzellen interessant macht. In dieser Arbeit wird ein Verfahren zur Abscheidung nanoskaliger Katalysatorpartikel (Platin/Ruthenium) auf Kohlenstoff-Nanoröhrchen vorgestellt. Es beruht auf der nasschemischen Reduktion von Metallsalzen mit Hilfe von Ethylenglycol. Bislang wurde dieses Verfahren bei konventionellem Kohlenstoffsubstrat (Ruß) eingesetzt. Durch das gegenüber Ruß stark veränderte Benetzungsverhalten von CNTs sind bisherige Verfahren zur Katalysator- und Elektrodenherstellung nicht direkt übertragbar. So neigen CNTs dazu, Bündel zu bilden, die das Eindringen von wässrigen Lösungen ins Innere dieser Bündel verhindern. Dies kann zu einer ungleichmäßigen Beladung mit dem metallischen Katalysator führen. Das hier beschriebene Verfahren beruht auf der Dispersion der CNTs mit Hilfe von Ultraschall in Butylacetat, einer unpolaren Flüssigkeit, was zu einer Trennung der Bündel führt. Durch Zugabe von Nafion(R)-Lösung und erneuter Ultraschallbehandlung wird eine Emulsion mit Ethylenglycol erzeugt, bei der sich das Butylacetat zu ca. 30µm großen Tröpfchen formt, deren Hülle aus Nafion(R) und feinverteilten CNTs besteht. Es ergibt sich somit eine große Oberfläche, welche zum Ankoppeln der Katalysatorpartikel zur Verfügung steht. Damit wird eine hohe und homogene Beladung der Nanotubes mit Katalysatorteilchen erreicht (bis zu 50 Gewichtsprozent), wobei die Größenverteilung der abgeschiedenen ca. 3 nm großen Teilchen eng bleibt (+- 0,5 nm). Das zugesetzte Nafion(R) fördert nicht nur als Emulgator die Synthese sondern erhöht auch die für die Elektrodenfunktion notwendige Protonenleitfähigkeit des Materials. Das Kompositmaterial wird mit verschiedenen materialwissenschaftlichen Methoden (XRD, SEM, TEM, TGA-MS, CV) charakterisiert. Weiterhin wird die Herstellung von Brennstoffzellen-Elektroden ausführlich beschrieben. Die Zusammensetzung und Morphologie der Elektroden sowie die Dicke des Membranmaterials werden variiert. Die Leistungsfähigkeit der Elektroden wird durch zyklische Aufnahme von Strom-Spannungskurven in einem Brennstoffzellen-Teststand bestimmt, dabei werden Leistungsdichten bis zu 770 mW cm^-2 bei einer Platinbeladung von 0,3 mg cm^-2 erreicht. Die Membran-Elektroden-Einheit wird vor und nach dem Testbetrieb in der Brennstoffzelle mittels SEM untersucht.

The present work comprises the three cornerstones of evidence-based "4-dimensional" radiotherapy: biological dose-effect models, probabilistic patient geometry deformation models and methods for evaluation and optimization of accumulated dose-to-moving-tissue in a statistical sense. For this purpose, commonly used static patient models are substituted by novel dynamic patient models. The application of such precise and comprehensive radiotherapy concepts results in complex, fundamentally different dose distributions. This is only safe if adequate quantitative biological models for dose optimization in the patient exist. Normal tissue complication probability (NTCP) models were applied to clinical data of large patient populations treated for prostate and rectal cancer, and parameters are derived for chronic rectal and acute small bowel toxicity. Potential biases of such models introduced by the treatment technique in terms of specific patterns of dose-volume correlations are discussed and quantitatively investigated with a principal component analysis (PCA) of dose-volume histogram (DVH) data. Two 4-dimensional geometric modelling approaches for two major types of uncertainties encountered in radiotherapy were developed. For random geometric uncertainties, a PCA of organ geometry samples proves an efficient method to create statistical surrogate models that summarize the complex biomechanical processes involved in patient-individual organ motion in terms of deformation eigenmodes. The method was applied to the problem of internal motion of prostate, rectum and bladder as relevant for pelvic radiotherapy. For modelling of quasi-periodic respiratory motion, a fast and accurate deformable registration algorithm was developed as central tool for the creation of probabilistic thorax models based on 4D respiration correlated CT image information. The algorithm performs rigid registrations for a large number of small subregions and introduces a new, physically motivated regularization scheme on the basis of an automatic assessment of local registration quality. Ultimately, a clinically feasible implementation of 4D-intensity modulated radiotherapy (IMRT) is presented that realizes biological optimization of the expected dose-to-moving-tissue by explicit optimization in multiple instance geometries. The algorithm makes use of an advanced semi-analytical pencil-beam algorithm in combination with Monte Carlo dose computation to accurately determine the physically deposited dose in the moving tissue elements of dynamic patient geometries. Based on a planning example of free-breathing treatment of moving lung tumors, 4D-IMRT is shown to perform similar to gated treatment and thus constitutes an more efficient alternative to gating without prolonged treatment times. Finally, a clinically relevant application of 4D-evaluation is described in terms of a study comparing the robustness against organ motion of different intensity modulated prostate planning approaches for photon and proton irradiation. Summarizing, the developments presented in this work render evidence-based 4D-radiotherapy as comprehensive and powerful generalization of current static patient geometry approaches. This is an important step to a new paradigm that accounts for the dynamic nature of patient treatment. Die vorliegende Arbeit umfasst die drei Grundpfeiler evidenzbasierter "4-dimensionaler" Strahlentherapie: biologische Dosis-Wirkungs-Modelle, probabilistische Deformationsmodelle der Patientengeometrie sowie Methoden zur Evaluation und Optimierung der vom sich bewegenden Gewebe akkumulierten Dosis in statistischen Sinne. Im Zuge dessen werden klassisch verwendete statische Patientenmodelle durch neuartige dynamische Patientenmodelle ersetzt. Die Anwendung derartig präziser und umfassender Strahlentherapie-Konzepte führt zu komplexen, fundamental andersartigen Dosisverteilungen. Dies ist nur dann medizinisch unbedenklich, wenn entsprechende biologische Modelle für die Dosisoptimierung im Patienten vorhanden sind. Modelle, die die Wahrscheinlichkeit von Nebenwirkungen in gesundem Gewebe beschreiben, wurden auf klinische Daten grosser, an Prostata- und Rektalkrebs behandelter Patientengruppen angewendet. Dadurch konnten Modellparameter für chronische Rektal- und akute Dünndarm-Nebenwirkungen bestimmt werden. Mögliche systematische Fehler solcher Modelle, die in Form spezifischer Dosis Volumen-Korrelationen auf die Behandlungsmethode zurückzuführen sind, werden diskutiert und quantitativ mittels einer Hauptkomponentenanalyse (PCA, von engl. principal component analysis) von Dosis-Volumen-Histogramm-(DVH)-Daten untersucht. Es wurden zwei Ansätze zur "4-dimensionalen" geometrischen Modellierung für zwei in der Strahlentherapie auftretende Unsicherheiten entwickelt. Für zufällige geometrische Unsicherheiten erweist sich die Anwendung einer PCA auf Stichproben von Organgeometrien als effiziente Methode, statistische Ersatzmodelle abzuleiten, die die komplexen biomechanischen Vorgänge patientenindividueller Organbewegung in Form von Deformations-Eigenmoden zusammenfassen. Diese Methodik wurde auf das für Beckenbestrahlungen relevante Problem interner Organbewegungen von Prostata, Rektum und Blase angewendet. Zur Modellierung quasi-periodischer Atembewegungen wurde ein schneller und genauer Algorithmus zur elastischen Bildregistrierung entwickelt. Als solcher dient er als zentrales Element beim Erstellen probabilistischer Thoraxmodelle, die auf 4D-atemkorrelierten CT-Bildinformationen basieren. Der Algorithmus führt starre Registrierungen für eine grosse Zahl kleiner Bild-Teilbereiche durch. Dabei kommt ein neues, physikalisch motiviertes Regularisierungsschema auf Basis einer automatischen Klassifizierung der lokalen Registrierungsgüte zum Einsatz. Schliesslich wird eine klinisch praktikable Implementierung von 4D-intensitätsmodulierter Radiotherapie (IMRT) präsentiert, welche die biologische Optimierung des Erwartungswertes der Dosis im bewegten Gewebe realisiert. Dies wird durch explizite Optimierung in mehreren Geometrieinstanzen erreicht. Der Algorithmus benutzt einen anspruchsvollen semi-analytischen Nadelstrahlalgorithmus in Verbindung mit einem Monte-Carlo Dosisberechnungsverfahren, um die physikalische Dosisdeposition in den beweglichen Volumenelementen der Gewebematrix dynamischer Patientengeometrien präzise zu bestimmen. Anhand eines Planungsbeispieles für die Bestrahlung bewegter Lungentumore unter freier Atmung wird gezeigt, daß 4D-IMRT ähnlich gute Ergebnisse wie atemgetriggerte Bestrahlung erzielt. Es kann deshalb als effizientere Alternative zu atemgetriggerter Bestrahlung ohne verlängerte Behandlungszeiten angesehen werden. Zusätzlich wird eine klinisch relevante Anwendung für 4D-Evaluation in Gestalt einer Studie beschrieben, in der verschiedene intensitätsmodulierte Planungsmethoden für Prostatabestrahlung mit Photonen und Protonen hinsichtlich ihrer Robustheit gegenüber Organbewegung verglichen werden. Zusammenfassend zeigen die in dieser Arbeit vorgestellten Entwicklungen, daß evidenzbasierte 4D-Strahlentherapie eine umfassende und leistungsfähige Verallgemeinerung gegenwärtiger, auf statischen Patientengeometrien beruhenden Verfahren ist. Dies ist ein wichtiger Schritt hin zu einem neuen Paradigma, welches dem dynamischen Charakter der Bestrahlung von Patienten Rechnung trägt.

Investigation of 1D-(bright) solitons in Bose-Einstein Condensates beyond mean-field theory (Gross-Pitaevskii equation) using quantum field theoretic approaches.* Bethe ansatz method provides exact solution for zero-range pseudo interaction potential.* Discussion of a more general model in the dilute regime for taking into account more realistic atomic interactions.Among others: Computeralgebraic implementation of a commutator algebra.