A comprehensive Monte Carlo model and its experimental validation to characterise and optimise a novel proton preclinical beamline for small animal radiation research

Huang, Ze (2026): A comprehensive Monte Carlo model and its experimental validation to characterise and optimise a novel proton preclinical beamline for small animal radiation research. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics

Abstract

Kürzlich wurde im Rahmen des Forschungsprojekts SIRMIO (Small Animal Proton Irradiator for Research in Molecular Image-guided Radiation-Oncology) eine präklinische Bestrahlungsstrahlführung entwickelt. Zu den Komponenten des SIRMIO-Systems gehört eine neuartige aktiv fokussierende Strahlführung zur Realisierung von Protonentherapie-Bestrahlungsplänen, die entworfen, aufgebaut und in Betrieb genommen wurde. Im SIRMIO-Projekt wurde die aktive Magnetstrahlführung so konzipiert, dass sie Strahlen aus einer klinischen Düse aufnimmt, die Strahlenergie vom klinischen Niveau auf das präklinische Niveau (17~50 MeV) reduziert, den Strahl entlang der Strahlführung fokussiert und ihn zu einem definierten Isozentrum transportiert. Zudem wurde eine potenzielle Fähigkeit zur Strahlablenkung bzw. zum Scannen in die Strahlführung integriert. In dieser Arbeit wurden Monte Carlo (MC) und analytische Simulationsmodelle für die präklinische Strahlführung auf Grundlage früherer Arbeiten zur SIRMIO-Strahlführung entwickelt, und die Leistungsfähigkeit der Strahlführung wurde sowohl in In-silico-Studien als auch in experimentellen Kampagnen untersucht. Die Materialien der Strahlführung wurden dosimetrisch charakterisiert, und die Messmethoden für die Strahldiagnostik wurden in nachfolgenden Experimenten verifiziert und kalibriert. Magnetfelder wurden unter Verwendung von Messdaten zu Magneteigenschaften sowie Simulationsmodellen der Magnete in Simulationssoftware modelliert und in den Simulationscode implementiert. Die Reichweite des präklinischen Protonenstrahls in Wasser, die Strahloptik entlang und stromabwärts der SIRMIO-Strahlführung sowie die Transmissionseffizienz der Strahlführung wurden in experimentellen Studien sorgfältig vermessen. Das entwickelte Simulationsmodell wurde anhand der experimentellen Ergebnisse kalibriert und validiert. Auf Basis der Simulations- und Messergebnisse wurde die Strahloptik der Strahlführung neu optimiert und die Kollimatoren wurden neu ausgelegt. Auf Grundlage des präzisen Verständnisses der Strahlführung und eines validierten Simulationsmodells wurde ein präklinischer Qualitätssicherungs (QS) Workflow entwickelt. Nach der Installation der SIRMIO-Strahlführung in einer klinischen Einrichtung wurde die Ausrichtung des Strahls zum Isozentrum mithilfe kalibrierter Gafchromic-Filme überprüft, die Reichweite des präklinischen Strahls in Wasser mit einer kommerziellen Mehrschicht-Ionisationskammer (MLIC) bestimmt und die Strahlform in Luft mit kalibrierten Gafchromic-Filmen sowie einem gasgefüllten Detektor vermessen. Im QS-Verfahren wurden die Betriebsparameter der Strahlführung entsprechend den Messergebnissen angepasst, um Protonenstrahlen zu erzeugen, deren Reichweite in Wasser und deren Form in Luft mit den Vorhersagen des Simulationsmodells übereinstimmen. Zur Erstellung eines MC-basierten Bestrahlungsplans für Kleintiere wurden die vom validierten MC-Modell erzeugten Phasenraumdaten als Eingabe für eine Forschungsversion des Bestrahlungsplanungssystems (TPS) μ-RayStation (RaySearch Laboratories AB, Stockholm, Schweden) verwendet. Die Phasenraumdaten dienten zudem als Referenz („Ground Truth“) für nachgelagerte Bildgebungs- und Dosimetrie-Arbeitspakete im SIRMIO-Projekt. Beim Vergleich des in experimentellen Kampagnen erzeugten Strahls mit den im MC-Modell berechneten TPS-Strahlparametern zeigte sich, dass die Energiegenauigkeit des Protonenstrahls besser als 100 keV ist (entsprechend einer Reichweitenpräzision von besser als 100~150 μm in Wasser). Die Strahlbreite (Sigma) in Luft am SIRMIO-Isozentrum beträgt etwa 1 mm und stimmt mit den Simulationsergebnissen mit einer Genauigkeit von besser als 100 μm überein. Die Transmissionseffizienz der SIRMIO-Strahlführung liegt im Bereich von 0,06 bis 0,14%, was mit der Effizienz klinischer Strahlführungen für einen 70 MeV Protonenstrahl vergleichbar ist. Die Abweichung zwischen simulierten und experimentell gemessenen Transmissionseffizienzen beträgt weniger als 10%. Es wurde eine umfassende Analyse der Simulations- und experimentellen Unsicherheiten durchgeführt, die zum Verständnis der erforderlichen experimentellen Präzision sowie der Grenzen des Strahlführungssystems und des Simulationsmodells beitrug. Die Strahlungsverluste an den Magneten wurden untersucht und auf ein Minimum reduziert. Das Simulationsmodell ist von zentraler Bedeutung für die Planung von Experimenten und die Weiterentwicklung des bestehenden Systems. Es dient als Referenz für experimentelle Ergebnisse und liefert Phasenraumdaten für die Optimierung von Bestrahlungsplänen. Darüber hinaus fungiert es als In-silico-Labor zur Untersuchung der Machbarkeit neuer Anwendungen von SIRMIO, wie beispielsweise FLASH und Micro-Beam/Mini-Beam Therapien.

Abstract

Recently, a preclinical research beamline has been developed under the research project SIRMIO (Small Animal Proton Irradiator for Research in Molecular Image-guided Radiation-Oncology). Among the components of the SIRMIO system, a novel active focusing beamline for proton treatment plan delivery was designed, constructed, and commissioned. In the SIRMIO project, the active magnet beamline was designed to accept beams from a clinical nozzle, degrade the beam energy from the clinical level to the preclinical level (17~50 MeV), focus the beam through the beamline, and transport the beam to a designed isocentre. A potential capability of beam steering/scanning was also incorporated to the beamline. In this work, the Monte Carlo (MC) and analytical simulation models were constructed for the preclinical beamline on the basis of previous works in the SIRMIO beamline, and the capability of the beamline was investigated in in-silico studies and experimental campaigns. The materials in the beamline were dosimetrically characterised and the measurement techniques for beam diagnostics were verified and calibrated in subsequent experiments. Magnetic fields were modelled and implemented in the simulation code using the measurement data of magnet properties and the simulation model of the magnets in simulation softwares. The range of the preclinical proton beam in water, the beam optics along and in downstream of the SIRMIO beamline, and the transmission efficiency of the beamline were carefully measured in research campaigns. The simulation model developed was calibrated and validated against the experimental results. Following the simulation and experimental results, the beam optics of the beamline was re-optimised, and the collimators were re-designed. With the precise knowledge of the beamline and a validated simulation model, a preclinical quality assurance (QA) workflow was designed. After mounting the SIRMIO beamline at a clinical facility, the alignment of the beam to the isocentre was checked with calibrated Gafchromic films, the range of the preclinical beam in water was diagnosed with a commercial multi-layer ionisation chamber (MLIC), and the shape of the beam in air was measured with calibrated Gafchromic films and a gaseous detector. In the QA procedure, the operation parameters of the beamline were adjusted according to the measurement results, to produce proton beams whose range in water and shape in air were accurate as predicted in the simulation model. To produce an MC-based small animal treatment plan, the phase space data produced by the validated MC model were used as input to a research version of the treatment planning system (TPS) μ-RayStation (RaySearch Laboratories AB, Stockholm, Sweden). The phase space data were also considered as ground-truth for the downstream imaging and dosimetry work packages in SIRMIO. Comparing the delivered beam in research campaigns to the TPS beam specifics calculated in the MC model, the accuracy of the energy of the proton beam is better than 100 keV (precision of the beam range better than 100~150 μm in water). The beam sigma size in air at the SIRMIO isocentre is as small as ~1 mm and matches the simulation result with an accuracy better than 100 μm. The transmission efficiency of the SIRMIO beamline is 0.06~0.14%, which is comparable to the transmission efficiency of a clinical beamline for a 70 MeV proton beam. The deviation in transmission efficiency between the simulated and experimentally measured results is less than 10%. A complete analysis of the simulation and the experimental uncertainty was conducted, which helped to understand the experimental precision required in the setup and the limits of the beamline system and the simulation model. The radiation loss to the magnets was studied and controlled to a minimum level. The simulation model is paramount for the design of experiments and the improvement of the current system. It serves as a ground-truth reference for the experimental results and produces phase space data for treatment plan optimisation. It is also an in-silico laboratory for feasibility investigation of the application of SIRMIO in new treatment techniques, such as the FLASH and micro-beam/mini-beam therapy.

• Item Type: Theses (Dissertation, LMU Munich)
• Keywords: Medical Physics, Proton Therapy, Beamline Physics, Preclincinal Research
• Subjects: 500 Natural sciences and mathematics; 500 Natural sciences and mathematics > 530 Physics
• Faculties: Faculty of Physics
• Language: English
• Date of oral examination: 25. June 2026
• 1. Referee: Parodi, Katia
• Signature of the printed copy: 0001/UMC 32142