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Investigating accuracy and precision of ionoacoustics for range determination of ion beams in water
Investigating accuracy and precision of ionoacoustics for range determination of ion beams in water
Bei der externen Strahlentherapie wird Patienten Dosis mithilfe von hochenergetischen Photonen oder geladenen Teilchen, hauptsächlich Protonen zugeführt. Aufgrund der geringeren Kosten im Kauf und Unterhalt klinischer Photonenanlagen werden diese derzeit bevorzugt, obwohl die Dosisverteilung im Patienten weniger präzise ist als mit Protonenstrahlen. Der Grund dafür ist das exponentielle Abschwächungsverhalten energetischer Photonen in Materie, womit ein signifikanter Anteil an zusätzlicher Dosis in umliegendem, gesundem Gewebe in Kauf genommen werden muss. Protonen weisen ein Tiefendosisprofil in der Form der sog. Braggkurve mit einer scharf begrenzten, endlichen Reichweite auf, sodass in Einstrahlrichtung Risikoorgane vor unnötiger Dosis geschützt werden können. Aufgrund von Reichweitenungenauigkeiten, einem der größten, technischen Probleme moderner Strahlentherapie, werden Sicherheitssäume eingeplant und der Vorteil in der Dosisverteilung, der sich aus dem unterschiedlichen physikalischen Absorptionsverhalten von Photonen und Protonen ergibt, wird aufgegeben. Diese Ungenauigkeiten sind bedingt durch diverse praktische Begrenzungen während der Bestrahlung, wie zum Beispiel dem Atemzyklus des Patienten oder andere intrafraktionale Organbewegungen, oder durch Veränderungen zwischen den Behandlungstagen, wie Gewichtsverlust oder die innere Verschiebung der Organe von Tag zu Tag. Einen möglichen Ansatz, diese Reichweitenungenauigkeit zu verringern, bietet hierbei die in-vivo Dosimetrie, eine Methode, die idealerweise in Echtzeit die zugeführte Dosis, oder zumindest die Reichweite, im Patienten messen, verifizieren und darstellen kann. Dafür ist in den letzten Jahrzehnten vor allen an zwei Abbildungsmethoden basierend auf der Detektion der durch Kernreaktionen induzierten Sekundärstrahlung geforscht worden: Messungen der Positronen-Emissionen ausgelöst durch die Bestrahlung und Prompt-ɣ-Monitoring. Auch wenn bereits erste Prototypen in klinischen Studien getestet werden, handelt es sich hierbei um anspruchsvolle nuklearphysikalische Experimente, für die bisher mitunter komplexe Rechnungen und Rekonstruktionen nötig waren, was im Gegensatz zu der Forderung nach einer Echtzeitmethode stand. Auch wenn z.B. mit der Entwicklung der Einzelschlitz-Prompt-ɣ Kamera ein großer Fortschritt in der Überwindung dieser Probleme erreicht wurde, möchte diese Arbeit eine alternative Methode der Reichweitenbestimmung erneut aufgreifen: Ionoakustik. Es soll in dieser Arbeit gezeigt werden, dass es sich dabei um eine kostengünstige Möglichkeit handelt, um quasi in Echtzeit Informationen über die tatsächliche Bragg Peak Position zu erhalten. Bei der Bestrahlung mit gepulsten Ionenstrahlen kann eine Ultraschallwelle gemessen werden, welche räumliche und zeitliche Information über den Ionenpuls und die auslösende adiabatische Erwärmung in sich trägt. Ionoakustik ist die Messung und Auswertung dieser Ultraschallwelle, um die Energie und Reichweite der geladenen Teilchen zu bestimmen. In dieser Arbeit wird die grundlegende Erzeugung des Druckes erklärt, welche Einflüsse während der Messung auf das Signal auftreten, und wie die gemessenen Signale auszuwerten sind. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene Experimente an unterschiedlichen Beschleunigern durchgeführt. Hierbei wurden zahlreiche Messungen mit ausreichendem Signal-zu-Rausch-Verhältnis gemacht und die dabei gemessenen Reichweiten werden präsentiert. Es konnten bei Protonen mit einer kinetischen Energie von 20 MeV Reichweiten im Wasser mit einer Genauigkeit und Präzision von weniger als 50µm gemessen werden. An medizinischen Beschleunigern mit >200 MeV Protonen wurden Reichweiten im Wasser mit einer Genauigkeit und Präzision von weniger als 1 mm gemessen, bei anderen schweren Ionen war die Genauigkeit und Präzision weniger als 100 µm. Dabei steht die mögliche Übertragbarkeit in eine medizinische Anwendung besonders im Fokus der Diskussionen, da diese guten Ergebnisse die Verringerung der Sicherheitssäume in der Behandlungsplanung zur Folge haben könnten und damit eine Verbesserung der Bestrahlung mit geladenen Teilchen im Allgemeinen. Die hier vorgestellten experimentellen Ergebnisse beinhalten Messungen von verschieden kinetischen Energien, unterschiedlichen Ionen und Intensitäten. In allen Fällen zeigten vergleichende Simulationsrechnungen gute Übereinstimmungen. Besonders in Messungen, in denen die experimentellen Parameter sehr detailliert bestimmt werden konnten, können diese Messung als Bestätigung von Simulationsparametern interpretiert werden, obwohl diese Parameter normalerweise zur Anpassung an Messwerte Variationen unterzogen werden. Das hier verwendete Ionisationspotential für Wasser mit einem Wert von 78 eV, die derzeit gültige Empfehlung der Internationalen Kommission für Strahlungseinheiten und Messung ICRU, zeigte in den hier durchgeführten Studien die beste Übereinstimmung mit den Messergebnissen. Die mögliche Einsetzbarkeit ist derzeit auf Regionen beschränkt, die mit klinischem Ultraschall abgebildet werden können. Die technische Machbarkeit und nötige nächste Schritte werden diskutiert und mit einem möglichen Behandlungsszenario abgeschlossen, welches akustische Messungen einbezieht. Hierbei ist die derzeitige größte Herausforderung die immer noch hohe Dosis, die benötigt wird, um hinreichende ionoakustische Signale zu erzeugen., In radiation therapy using external beams, delivery of dose is currently done with energetic photons or heavy charged particles, mainly protons. The treatment with photons is favoured as installation and maintenance costs are lower than with proton therapy, although the delivered dose distribution is less confined in space. This is due to the exponentially decaying depth dose distribution of photons in matter, adding a significant dose to tissue surrounding the tumour site. Protons, on the contrary, have a finite penetration depth in matter and a distinct maximum of deposited energy, the Bragg peak, both mainly depending on the initial kinetic energy of the incident heavy charged particle. This offers spatially confined dose distributions compared to the irradiation with photons, if the range of heavy charged particle in tissue is known precisely. However, due to several practical limitations, relatively large safety margins are added in the treatment planning in order to compensate for range uncertainties, e.g. limited knowledge on the tissue stopping power as well as changes in the patient anatomy during a single treatment, like breathing and other intra-fractional organ motions, and between several treatment days, like weight loss and large scale organ displacements. These range uncertainties are one of the biggest challenges in modern radiation therapy with heavy charged particles, thus hampering the potential superiority of this irradiation modality in terms of dose conformity A practical approach which would allow a reduction of these safety margins would be in-vivo-dosimetry, an online method verifying and displaying the currently delivered dose, or at least the beam range, to the patient. To this end, methods based on secondary radiation induced by nuclear interactions have been studied over the last decades, and at least two promising approaches have reached the status of clinical trials. However, Positron-Emission-Tomography and prompt-ɣ monitoring require relatively bulky and expensive instrumentation as well as complex simulations and reconstructions. Although considerable progress has been made with the development of a single-slit prompt-ɣ device, in the past the previously mentioned problems were hindering these approaches to become truly online methods. In this thesis, Ionoacoustics is revisited as a range determination mechanism offering a cost-effective technology providing quasi real-time informations on the actual Bragg peak position. Following irradiation with a pulsed ion beam, a pressure wave is measured, which contains spatial and temporal information on the initiating adiabatic heating. The evaluation of the pressure signal in order to extract energy, specifically range information, is called Ionoacoustics. In this framework, the basis of the pressure generation and detection is thoroughly studied together with different evaluation techniques. Several experiments at different accelerators have been conducted, which provided measurements with a good signal to noise ratio, and their results are discussed. It can be shown that ranges of 20 MeV protons in water can be determined with a precision and accuracy better than 50 µm, the range of high energetic protons under clinical condition better than 1 mm, and other heavy ions better than 100 µm. It will be discussed, whether the translation of these precise results to clinical applications is feasible, as this would lower the currently used safety margins used in treatment planning. The presented experiments cover a wide range of particle energies, ion types, and intensities. Simulation studies showed very good agreement to the collected experimental results. Especially for the studies at low-energies, where experimental parameters are defined precisely, simulation parameters can be confirmed. The ionization potential of water of 78 eV following the latest recommendation of the International Commission on Radiation Units and Measurements ICRU yielded results in best agreement to experimental data. The technical feasibility and next required steps will be discussed concluding with a possible scenario for treatment verification with acoustic measurements for a favourable anatomical indication of viable sonic accessibility. The currently biggest challenge in this step towards a clinical application is the still high dose that is required to generate ionoacoustic signals.
Ionoacoustics, Proton Therapy, Ultrasound, Range Determination, Pulsed Beams
Lehrack, Sebastian
2018
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Lehrack, Sebastian (2018): Investigating accuracy and precision of ionoacoustics for range determination of ion beams in water. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Licence: Creative Commons: Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 (CC-BY-NC-ND)
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Abstract

Bei der externen Strahlentherapie wird Patienten Dosis mithilfe von hochenergetischen Photonen oder geladenen Teilchen, hauptsächlich Protonen zugeführt. Aufgrund der geringeren Kosten im Kauf und Unterhalt klinischer Photonenanlagen werden diese derzeit bevorzugt, obwohl die Dosisverteilung im Patienten weniger präzise ist als mit Protonenstrahlen. Der Grund dafür ist das exponentielle Abschwächungsverhalten energetischer Photonen in Materie, womit ein signifikanter Anteil an zusätzlicher Dosis in umliegendem, gesundem Gewebe in Kauf genommen werden muss. Protonen weisen ein Tiefendosisprofil in der Form der sog. Braggkurve mit einer scharf begrenzten, endlichen Reichweite auf, sodass in Einstrahlrichtung Risikoorgane vor unnötiger Dosis geschützt werden können. Aufgrund von Reichweitenungenauigkeiten, einem der größten, technischen Probleme moderner Strahlentherapie, werden Sicherheitssäume eingeplant und der Vorteil in der Dosisverteilung, der sich aus dem unterschiedlichen physikalischen Absorptionsverhalten von Photonen und Protonen ergibt, wird aufgegeben. Diese Ungenauigkeiten sind bedingt durch diverse praktische Begrenzungen während der Bestrahlung, wie zum Beispiel dem Atemzyklus des Patienten oder andere intrafraktionale Organbewegungen, oder durch Veränderungen zwischen den Behandlungstagen, wie Gewichtsverlust oder die innere Verschiebung der Organe von Tag zu Tag. Einen möglichen Ansatz, diese Reichweitenungenauigkeit zu verringern, bietet hierbei die in-vivo Dosimetrie, eine Methode, die idealerweise in Echtzeit die zugeführte Dosis, oder zumindest die Reichweite, im Patienten messen, verifizieren und darstellen kann. Dafür ist in den letzten Jahrzehnten vor allen an zwei Abbildungsmethoden basierend auf der Detektion der durch Kernreaktionen induzierten Sekundärstrahlung geforscht worden: Messungen der Positronen-Emissionen ausgelöst durch die Bestrahlung und Prompt-ɣ-Monitoring. Auch wenn bereits erste Prototypen in klinischen Studien getestet werden, handelt es sich hierbei um anspruchsvolle nuklearphysikalische Experimente, für die bisher mitunter komplexe Rechnungen und Rekonstruktionen nötig waren, was im Gegensatz zu der Forderung nach einer Echtzeitmethode stand. Auch wenn z.B. mit der Entwicklung der Einzelschlitz-Prompt-ɣ Kamera ein großer Fortschritt in der Überwindung dieser Probleme erreicht wurde, möchte diese Arbeit eine alternative Methode der Reichweitenbestimmung erneut aufgreifen: Ionoakustik. Es soll in dieser Arbeit gezeigt werden, dass es sich dabei um eine kostengünstige Möglichkeit handelt, um quasi in Echtzeit Informationen über die tatsächliche Bragg Peak Position zu erhalten. Bei der Bestrahlung mit gepulsten Ionenstrahlen kann eine Ultraschallwelle gemessen werden, welche räumliche und zeitliche Information über den Ionenpuls und die auslösende adiabatische Erwärmung in sich trägt. Ionoakustik ist die Messung und Auswertung dieser Ultraschallwelle, um die Energie und Reichweite der geladenen Teilchen zu bestimmen. In dieser Arbeit wird die grundlegende Erzeugung des Druckes erklärt, welche Einflüsse während der Messung auf das Signal auftreten, und wie die gemessenen Signale auszuwerten sind. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene Experimente an unterschiedlichen Beschleunigern durchgeführt. Hierbei wurden zahlreiche Messungen mit ausreichendem Signal-zu-Rausch-Verhältnis gemacht und die dabei gemessenen Reichweiten werden präsentiert. Es konnten bei Protonen mit einer kinetischen Energie von 20 MeV Reichweiten im Wasser mit einer Genauigkeit und Präzision von weniger als 50µm gemessen werden. An medizinischen Beschleunigern mit >200 MeV Protonen wurden Reichweiten im Wasser mit einer Genauigkeit und Präzision von weniger als 1 mm gemessen, bei anderen schweren Ionen war die Genauigkeit und Präzision weniger als 100 µm. Dabei steht die mögliche Übertragbarkeit in eine medizinische Anwendung besonders im Fokus der Diskussionen, da diese guten Ergebnisse die Verringerung der Sicherheitssäume in der Behandlungsplanung zur Folge haben könnten und damit eine Verbesserung der Bestrahlung mit geladenen Teilchen im Allgemeinen. Die hier vorgestellten experimentellen Ergebnisse beinhalten Messungen von verschieden kinetischen Energien, unterschiedlichen Ionen und Intensitäten. In allen Fällen zeigten vergleichende Simulationsrechnungen gute Übereinstimmungen. Besonders in Messungen, in denen die experimentellen Parameter sehr detailliert bestimmt werden konnten, können diese Messung als Bestätigung von Simulationsparametern interpretiert werden, obwohl diese Parameter normalerweise zur Anpassung an Messwerte Variationen unterzogen werden. Das hier verwendete Ionisationspotential für Wasser mit einem Wert von 78 eV, die derzeit gültige Empfehlung der Internationalen Kommission für Strahlungseinheiten und Messung ICRU, zeigte in den hier durchgeführten Studien die beste Übereinstimmung mit den Messergebnissen. Die mögliche Einsetzbarkeit ist derzeit auf Regionen beschränkt, die mit klinischem Ultraschall abgebildet werden können. Die technische Machbarkeit und nötige nächste Schritte werden diskutiert und mit einem möglichen Behandlungsszenario abgeschlossen, welches akustische Messungen einbezieht. Hierbei ist die derzeitige größte Herausforderung die immer noch hohe Dosis, die benötigt wird, um hinreichende ionoakustische Signale zu erzeugen.

Abstract

In radiation therapy using external beams, delivery of dose is currently done with energetic photons or heavy charged particles, mainly protons. The treatment with photons is favoured as installation and maintenance costs are lower than with proton therapy, although the delivered dose distribution is less confined in space. This is due to the exponentially decaying depth dose distribution of photons in matter, adding a significant dose to tissue surrounding the tumour site. Protons, on the contrary, have a finite penetration depth in matter and a distinct maximum of deposited energy, the Bragg peak, both mainly depending on the initial kinetic energy of the incident heavy charged particle. This offers spatially confined dose distributions compared to the irradiation with photons, if the range of heavy charged particle in tissue is known precisely. However, due to several practical limitations, relatively large safety margins are added in the treatment planning in order to compensate for range uncertainties, e.g. limited knowledge on the tissue stopping power as well as changes in the patient anatomy during a single treatment, like breathing and other intra-fractional organ motions, and between several treatment days, like weight loss and large scale organ displacements. These range uncertainties are one of the biggest challenges in modern radiation therapy with heavy charged particles, thus hampering the potential superiority of this irradiation modality in terms of dose conformity A practical approach which would allow a reduction of these safety margins would be in-vivo-dosimetry, an online method verifying and displaying the currently delivered dose, or at least the beam range, to the patient. To this end, methods based on secondary radiation induced by nuclear interactions have been studied over the last decades, and at least two promising approaches have reached the status of clinical trials. However, Positron-Emission-Tomography and prompt-ɣ monitoring require relatively bulky and expensive instrumentation as well as complex simulations and reconstructions. Although considerable progress has been made with the development of a single-slit prompt-ɣ device, in the past the previously mentioned problems were hindering these approaches to become truly online methods. In this thesis, Ionoacoustics is revisited as a range determination mechanism offering a cost-effective technology providing quasi real-time informations on the actual Bragg peak position. Following irradiation with a pulsed ion beam, a pressure wave is measured, which contains spatial and temporal information on the initiating adiabatic heating. The evaluation of the pressure signal in order to extract energy, specifically range information, is called Ionoacoustics. In this framework, the basis of the pressure generation and detection is thoroughly studied together with different evaluation techniques. Several experiments at different accelerators have been conducted, which provided measurements with a good signal to noise ratio, and their results are discussed. It can be shown that ranges of 20 MeV protons in water can be determined with a precision and accuracy better than 50 µm, the range of high energetic protons under clinical condition better than 1 mm, and other heavy ions better than 100 µm. It will be discussed, whether the translation of these precise results to clinical applications is feasible, as this would lower the currently used safety margins used in treatment planning. The presented experiments cover a wide range of particle energies, ion types, and intensities. Simulation studies showed very good agreement to the collected experimental results. Especially for the studies at low-energies, where experimental parameters are defined precisely, simulation parameters can be confirmed. The ionization potential of water of 78 eV following the latest recommendation of the International Commission on Radiation Units and Measurements ICRU yielded results in best agreement to experimental data. The technical feasibility and next required steps will be discussed concluding with a possible scenario for treatment verification with acoustic measurements for a favourable anatomical indication of viable sonic accessibility. The currently biggest challenge in this step towards a clinical application is the still high dose that is required to generate ionoacoustic signals.