Norbert Hodapp

Computed tomography-osteoabsorptiometry for assessing the density distribution of subchondral bone as a measure of long-term mechanical adaptation in individual joints

To estimate subchondral mineralisation patterns which represent the long-term loading history of individual joints, a method has been developed employing computed tomography (CT) which permits repeated examination of living joints. The method was tested on 5 knee, 3 sacroiliac, 3 ankle and 5 shoulder joints and then investigated with X-ray densitometry. A CT absorptiometric presentation and maps of the area distribution of the subchondral bone density areas were derived using an image analyser. Comparison of the results from both X-ray densitometry and CT-absorptiometry revealed almost identical pictures of distribution of the subchondral bone density. The method may be used to examine subchondral mineralisation as a measure of the mechanical adaptability of joints in the living subject.

Stereotactic fractionated radiotherapy for Klatskin tumours

BACKGROUND AND PURPOSE In spite of various efforts perihilar cholangiocellular carcinoma (Klatskin tumour) has still a bad prognosis. The treatment of patients with inoperable Klatskin tumours by stereotactic fractionated radiotherapy (SFRT) was analysed retrospectively. PATIENTS, METHODS AND MATERIALS: In our department 13 patients were treated for Klatskin tumours by SFRT (32-56 Gy, 3 x 4 Gy/week) from 1998 to 2008. The treatment technique was developed from stereotactic body frame radiotherapy to image guided (IGRT) stereotactic radiotherapy with control of patient positioning by cone beam computer tomography (CBCT). 6/13 patients received additional chemotherapy before or after SFRT. RESULTS A median survival of 33.5 (6.6-60.4) months after diagnosis was reached by SFRT. The median time of freedom from tumour progression was 32.5 (6.1-60.4, last patient died without tumour progression) months. The therapy was tolerated very well. Nausea was the most common side effect. 5/13 patients suffered from recurrent cholangitis caused and enhanced by the primary tumour and drainages or stents in the bile ducts. CONCLUSIONS In the context of reaching local control being still the main problem of Klatskin tumour patients, SFRT seems to be a very promising method for the treatment of these tumours.

Computed tomography-osteoaboorptiometry: a method of assessing the mechanical condition of the major joints in a living subject.

A method of making a visual display of subchondral mineralization in the major synovial joints is described. Unlike existing procedures, it can be used on the living subject. A modified application of computed tomography-densitometry, computed tomography-osteoabsorptiometry makes it possible to explore the mechanical adaptability to the prevailing mechanical force. This claim is based upon the comparison of information obtained from 20 anatomical specimens with CT-osteoabsorptiometry and x-ray densitometry of sections; both methods yielding virtually identical results. The distribution of the subchondral density was then expressed as a map of the articular surface with the aid of an image analyser. This method can make a useful contribution to basic clinical research, as well as providing a diagnostic technique which can also be used for observing progress after a corrective osteotomy or any other procedure causing a change in mechanical function. Examples of its use on living patients are given.

RADIATION AND OSTEOSYNTHESIS : DOSIMETRY ON AN IRRADIATION PHANTOM

An irradiation phantom was used to measure dose increases using the backscatter of different materials (titanium, steel, lead, aluminium). Telecobalt-60 and 8-MV photons were used for the irradiation. The irradiation dose was measured by means of a defined X-ray film blackening. The most important parameter was to find out whether under simulated conditions, undesirable hot spots occur. We were able to demonstrate that a 12.5 to 16% increase in the radiation dose can be observed for titanium and steel at a distance of 0.45 mm from the metal specimen. A comparison between titanium and steel did not demonstrate a relevant advantage for titanium. Therefore, adjuvant percutaneous radiation therapy should not have any influence on the life of the implant, if the soft tissue layer is of sufficient thickness. The available literature is reviewed and presented in tables.

Osteodensitometry of vertebral metastases after radiotherapy using quantitative computed tomography

Bone density has been assessed during and after radiotherapy of metastases of the spine using quantitative computed tomography (QCT) in 19 patients with osteolytic vertebral lesions. All patients underwent external photon radiation with a total dose of 40 Gy over a period of 4 weeks. Measurements of vertebral mineral density were performed at the beginning, at the end, and 3 months after radiotherapy. In 13 patients with osteolytic metastases, radiotherapy achieved complete release of pain; it was unsuccessful in the remaining 6 patients. Immediately after successful radiotherapy, osteolytic metastases showed a decrease of bone density of 24.7% followed by an increase of 60.6% 3 months later. Normal bone surrounding the osteolysis showed an increase of density at the end and 3 months after radiotherapy. QCT has proved to be a helpful tool in assessing successful radiotherapy of metastases of the spine.

VMAT and step-and-shoot IMRT in head and neck cancer: a comparative plan analysis.

Purpose:Rotational IMRT is a new technique, whose value still has to be assessed. We evaluated its adequacy for the treatment of head and neck (H&N) cancer compared to the well-established step-and-shoot IMRT.Materials and Methods:A total of 15 patients, who were treated with either IMRT (13 patients) or VMAT (2 patients) in the H&N region, were chosen. For each patient, a treatment plan with the respective other technique was calculated. To compare the resulting dose distributions, the dose–volume histograms (DVHs) were evaluated. To quantify the differences, a new quality index (QI) was introduced, as a measure of the planning target volume (PTV) coverage and homogeneity. A conformity function (CF) was defined to estimate normal tissue sparing.Results:The QI for VMAT amounts to 36.3, whereas for IMRT the mean value is 66.5, indicating better PTV coverage as well as less overdosage for the rotational technique. While the sparing of organs at risk (OAR) was similar for both techniques, the CF shows a significantly better sparing of healthy tissue for all doses with VMAT treatment.Conclusions:VMAT results in dose distributions for H&N patients that are at least comparable with treatments performed with step-and-shoot IMRT. Two new tools to quantify the quality of dose distributions are presented and have proven to be useful.Zielsetzung:Rotationsbestrahlung mit Intensitätsmodulierung ist eine neue Technik, deren Wert erst noch beurteilt werden muss. Wir untersuchten deren Eignung für die Behandlung von Kopf-Hals-(H&N-)Tumoren im Vergleich zu etablierter Step&Shoot-IMRT.Material und Methoden:Es wurden 15 Patienten ausgewählt, die mit IMRT (13 Patienten) oder VMAT (2 Patienten) in der H&N-Region behandelt wurden. Für jeden wurde ein Bestrahlungsplan mit der jeweils anderen Technik berechnet. Um die resultierenden Dosisverteilungen zu vergleichen, wurden Dosis-Volumen Histogramme (DVHs) ausgewertet. Zur Quantifizierung der Unterschiede wurde ein neuer Qualitätsindex (QI) eingeführt, der ein Maß für die Dosisabdeckung und -homogenität innerhalb des PTV ist. Eine Konformitätsfunktion (CF) wurde definiert, um die Nomalgewebeschonung abzuschätzen.Ergebnisse:Der QI für VMAT beträgt 36,3, während sich der Mittelwert für IMRT auf 66,5 beläuft, was eine bessere Dosisabdeckung und -homogenität bei der Rotationsbestrahlung anzeigt. Die Schonung der Risikoorgane war für beide Techniken ähnlich; der CF zeigte eine deutlich bessere Normalgewebeschonung für VMAT bei allen Dosiswerten.Schlussfolgerung:VMAT erlaubt für die Behandlung von H&N-Patienten Dosisverteilungen zu erzeugen, die mindestens vergleichbar sind mit denen, die mit Step&Shoot-IMRT machbar sind. Zwei neue Größen zur Quantifizierung der Qualität von Dosisverteilungen wurden präsentiert und deren Nutzen gezeigt.

VMAT and Step-and-Shoot IMRT in Head and Neck Cancer

Purpose:Rotational IMRT is a new technique, whose value still has to be assessed. We evaluated its adequacy for the treatment of head and neck (H&N) cancer compared to the well-established step-and-shoot IMRT.Materials and Methods:A total of 15 patients, who were treated with either IMRT (13 patients) or VMAT (2 patients) in the H&N region, were chosen. For each patient, a treatment plan with the respective other technique was calculated. To compare the resulting dose distributions, the dose–volume histograms (DVHs) were evaluated. To quantify the differences, a new quality index (QI) was introduced, as a measure of the planning target volume (PTV) coverage and homogeneity. A conformity function (CF) was defined to estimate normal tissue sparing.Results:The QI for VMAT amounts to 36.3, whereas for IMRT the mean value is 66.5, indicating better PTV coverage as well as less overdosage for the rotational technique. While the sparing of organs at risk (OAR) was similar for both techniques, the CF shows a significantly better sparing of healthy tissue for all doses with VMAT treatment.Conclusions:VMAT results in dose distributions for H&N patients that are at least comparable with treatments performed with step-and-shoot IMRT. Two new tools to quantify the quality of dose distributions are presented and have proven to be useful.Zielsetzung:Rotationsbestrahlung mit Intensitätsmodulierung ist eine neue Technik, deren Wert erst noch beurteilt werden muss. Wir untersuchten deren Eignung für die Behandlung von Kopf-Hals-(H&N-)Tumoren im Vergleich zu etablierter Step&Shoot-IMRT.Material und Methoden:Es wurden 15 Patienten ausgewählt, die mit IMRT (13 Patienten) oder VMAT (2 Patienten) in der H&N-Region behandelt wurden. Für jeden wurde ein Bestrahlungsplan mit der jeweils anderen Technik berechnet. Um die resultierenden Dosisverteilungen zu vergleichen, wurden Dosis-Volumen Histogramme (DVHs) ausgewertet. Zur Quantifizierung der Unterschiede wurde ein neuer Qualitätsindex (QI) eingeführt, der ein Maß für die Dosisabdeckung und -homogenität innerhalb des PTV ist. Eine Konformitätsfunktion (CF) wurde definiert, um die Nomalgewebeschonung abzuschätzen.Ergebnisse:Der QI für VMAT beträgt 36,3, während sich der Mittelwert für IMRT auf 66,5 beläuft, was eine bessere Dosisabdeckung und -homogenität bei der Rotationsbestrahlung anzeigt. Die Schonung der Risikoorgane war für beide Techniken ähnlich; der CF zeigte eine deutlich bessere Normalgewebeschonung für VMAT bei allen Dosiswerten.Schlussfolgerung:VMAT erlaubt für die Behandlung von H&N-Patienten Dosisverteilungen zu erzeugen, die mindestens vergleichbar sind mit denen, die mit Step&Shoot-IMRT machbar sind. Zwei neue Größen zur Quantifizierung der Qualität von Dosisverteilungen wurden präsentiert und deren Nutzen gezeigt.

On the accuracy of isocenter verification with kV imaging in stereotactic radiosurgery.

Background and Purpose:Modern medical linear accelerators (linacs) are equipped with X-ray systems, which allow to check the patient’s position just prior to treatment. Their usefulness for stereotactic radiosurgery (SRS) depends on how accurately they allow to determine the deviation between the actual and planned isocenter positions. This accuracy was investigated with measurements using two different phantoms (Figures 1 and 2).Material and Methods:After precisely aligning a phantom onto the linac isocenter, two perpendicular X-rays or a cone-beam CT (CBCT) are taken, and the isocenter position is deduced from this data. The deviation of the thereby gained position from the setup isocenter is taken as a measure for the uncertainty of this method.Results:Isocenter verification with two orthogonal X-rays (Figure 4) achieves accuracies of better than 1 mm (Table 3). The distance between the isocenters of the CBCT and the linac (Figure 3) is in the order of 1 mm, but remains constant on the time scale of 1 week (Table 1) and may therefore be taken into account. The uncertainty after correction is below 0.2 mm.Conclusion:kV imaging with the patient in treatment position allows to verify the isocenter position with submillimeter precision, and therefore offers a supplemental test, suitable for SRS, which takes all positional uncertainties into account.Hintergrund und Ziel:Moderne medizinische Linearbeschleuniger (Linacs) sind mit Röntgenanlagen ausgestattet, die es erlauben, die Position des Patienten direkt vor der Behandlung zu überprüfen. Ihr Nutzen für die stereotaktische Radiochirurgie (SRS) hängt davon ab, wie genau man die Abweichung zwischen der momentanen und der geplanten Isozentrumsposition bestimmen kann. Diese Genauigkeit wurde mit Messungen an zwei verschiedenen Phantomen untersucht (Abbildungen 1 und 2).Material und Methodik:Nach präziser Positionierung des Phantoms auf das Isozentrum des Linac werden zwei orthogonale Röntgenbilder oder ein „cone-beam“-CT (CBCT) aufgenommen, aus denen die Isozentrumsposition bestimmt wird. Die Abweichung der so ermittelten Position vom eingestellten Isozentrum wird als Maß für die Ungenauigkeit der Methode angenommen.Ergebnisse:Isozentrumskontrolle mit zwei orthogonlen Röntgenaufnahmen (Abbildung 4) erreicht eine Genauigkeit von besser als 1 mm (Tabelle 3). Der Abstand zwischen den Isozentren des CBCT und des Linac (Abbildung 3) liegt in der Größenordnung von 1 mm, bleibt aber während 1 Woche konstant (Tabelle 1) und kann somit berücksichtigt werden. Die Ungenauigkeit nach dieser Korrektur ist unterhalb von 0,2 mm.Schlussfolgerung:kV-Bildgebung mit dem Patienten in der Behandlungsposition erlaubt eine Isozentrumskontrolle mit Submillimeterpräzision und bietet damit einen zusätzlichen Test, der für die SRS geeignet ist und alle räumlichen Unsicherheiten berücksichtigt.

Three-dimensional treatment planning for conformation therapy of a bronchial carcinoma.

Three-dimensional (3-D) radiotherapy planning is applied for the conformation therapy of a bronchial carcinoma. The treatment technique, using dynamically controlled shielding blocks, and the treatment planning procedure are described. The method has now been in clinical routine since 4 years; problems with the patients positioning are discussed.

Erste Ergebnisse der Qualitätssicherung durch Ärztliche Stellen in der Radiotherapie am Beispiel Baden-Württemberg: Teil 1

Ziel:Darstellung der Strukturqualität (Personal, Beschleuniger, Patienten) der strahlentherapeutischen Abteilungen am Beispiel Baden-Württemberg, basierend auf Vor-Ort-Audits und der Unterbreitung von Verbesserungsvorschlägen durch die Gutachter der Ärztlichen Stelle (ÄS).Material und Methodik:Auf der Grundlage der Richtlinie und des bundeseinheitlichen Bewertungssystems für ÄS wurden die strahlentherapeutischen Abteilungen in Baden-Württemberg bewertet. Gemäß der Richtlinie besteht die Kommission aus mindestens zwei Fachärzten, einem Medizinphysikexperten (MPE) und einem organisatorischen Mitglied der ÄS.Ergebnisse:Im Zeitraum 2005–2007 wurden 24 strahlentherapeutische Einheiten mit 60 Linearbeschleunigern bezogen auf eine Bevölkerung von ungefähr 10,7 Mio. Einwohnern überprüft (178 000 Einwohner/Beschleuniger). An diesen 60 Linearbeschleunigern wurden im Jahr 2007 28 210 Patienten (Behandlungsfälle) mit bösartigen Tumoren bestrahlt. Insgesamt arbeiten 127 Fachärzte, 83 MPE und 235 medizinisch-technische Radiologieassistenten (MTRA) in diesen Zentren. Bezogen auf das Personal und Jahr bedeutet dies ein durchschnittliches Zahlenverhältnis von 222 behandelten Patienten pro Facharzt (Spannweite 85–400 Patienten), 339 Patienten pro MPE (Spannweite 170–538 Patienten) und 120 Patienten pro MTRA (Spannweite 48–189 Patienten). Neues Personal (Ärzte, MPE, MTRA) wurde aufgrund der Empfehlungen der Gutachterkommission bei fünf von sieben (71%) Betreibern eingestellt, und elf neue Stellen wurden bewilligt.Schlussfolgerung:Basierend auf der konkreten Ist-Analyse der Audits durch die ÄS stehen erstmalig konkrete Personalzahlen für die Berufsgruppen an unterschiedlichen strahlentherapeutischen Institutionen zur Verfügung. Hierbei zeigt sich, dass neben der durchschnittlichen Personalbedarfszahl auch „Sonderaufgaben“, wie Forschung und Ausbildung, im Alltag mitberücksichtigt werden sollten.Purpose:To evaluate the structure quality (medical staff, linear accelerators, and patients) of radiotherapy units based on the clinical audits by the “Ärztliche Stelle” (this institution is based on federal German law) in Baden-Württemberg.Material and Methods:External audits (performed by at least two radiation oncologists, one radiation physicist, and a member of the administration) of recently completed charts by designated reviewers using appropriate checklists developed by the federal task group (“Ärztliche Stelle”) were used.Results:In the interval from 2005 to 2007, 60 linear accelerators in 24 radiotherapy units served a population of approximately 10.7 million inhabitants (178,000 inhabitants/linear accelerator). 28,210 people with malignant tumors were treated in these units in 2007. These patients were served by 127 radiation oncologists, 83 radiation physicists, and 235 technologists. The ratio of patients irradiated annually to staff would become 222 (range 85–400) for a radiation oncologist, 339 for a radiation physicist (range 170–538), and 120 for a technologist (range 48–189). In five of seven departments (71%), new staff was employed following the recommendations of the auditors.Conclusion:Clinical audits by the “Ärztliche Stelle” are highly effective to evaluate the structure quality of radiotherapy units. Based on these audits realistic data for staff requirements were gained. Making use of these data, guidelines for average minimum personnel necessary for good patient care were calculated. Personnel requirements may vary related to specific needs (teaching, research) of the treatment program and should be accounted for when discussing with the administration. The recommendations of the auditors of the “Ärztliche Stelle” resulted in the new employment of additional staff.