Effects on particle beams in the presence of a magnetic field during radiation therapy

Abstract

Magnetresonanztomographie (MRT) hat in der Radioonkologie in den letzten Jahren nicht nur als multimodales Bildgebungsverfahren, sondern zusehends auch als Echtzeit-3D-Bildgebung implementiert in MR-Linac Prototypen an Bedeutung gewonnen. Wiederholte MRT Untersuchungen sind essentieller Bestandteil von hochpräziser und adaptiver Strahlentherapie und weisen gegenüber Computertomographie (CT) und Kegelstrahlen-CT (CBCT) große Vorteile auf. MRT Untersuchungen sind frei von zusätzlicher Strahlenbelastung für den Patienten und bieten darüberhinaus exzellenten Weichteilkontrast. Auch in der Partikeltherapie haben MRT unterstützte Therapien großes Potential. Ein umfassendes Verständnis der Eigenschaften und Charakteristiken von Partikelstrahlen in Magnetfeldern ist nötig für zukünftige Dosisberechungen. Bis jetzt sind Studien zum Verhalten solcher Strahlen unter Einwirkung von Magnetfeldern jedoch nur eingeschränkt verfügbar. Protonen (60 - 250 MeV) und Kohlenstoffionen (120 - 400 MeV/u) mit klinisch benötigten Energien wurden mittels Monte Carlo Simulationssoftware GATE v7.0 beim Durchgang durch ein 350 x 350 x 500 mm3 großes Phantom simuliert. Homogene Magnetfelder der Stärken 0.35 T, 1 T und 3 T sind normal zur initialen Strahlrichtung angelegt worden. Die Ablenkung der Partikelstrahlen wurde mithilfe zweidimensionaler Dosisverteilungen studiert. Sowohl die Form der Strahlen als auch deren Energiespektrum im Bragg-Peak Bereich wurden untersucht. Ein numerischer Algorithmus zur Beschleunigung der Berechnung von Ablenkkurven ist entwickelt worden. Die Runge-Kutta Methode wurde verwendet, um die relativitischen Bewegungsgleichungen zu lösen. Zusätzlich zur wirkenden Lorentzkraft sind die Energieverluste im Medium durch die Bethe-Bloch Gleichung im Algorithmus berücksichtigt worden. Die durch Magnetfelder induzierte Dosisveränderungen an Materialgrenzen (Wasser-Luft-Wasser, Wasser-Lung-Wasser und Wasser-Knochen-Wasser) wurden für 250 MeV Protonen untersucht. 250 MeV Protonen in 3 T Magnetfeldern in einem Wasserphantom zeigten laterale Ablenkungen von bis zu 99 mm. Ablenkungen für niedrigere Feldstärken (z.B. für zukünftige hybride open-MRI Protonenbestrahlungseinheiten) ergaben 12 mm für 0.35 T und 34 mm für 1 T. Eine Veränderung der Dosisverteilung im Bragg-Peak Bereich konnte für Protonen beobachtet werden. Energiespektrumanalysen ergaben eine asymmetrische laterale Energieverteilung innerhalb des Strahls. Unterschiedliche Teilchenenergien entlang der transveralen Achse führten zu einer gekippten Dosisverteilung am Ende der Strahlbahn. Für Kohlenstoffionen war dieser Effekt nicht so stark ausgeprägt, da aufgrund ihrer höheren Masse weniger Energie-Streuung auftrat. Der numerische Algorithmus konnte die Ablenkkurven erfolgrich modellieren, mit einer maximalen Abweichung von 1.8% gegenüber der vollständigen Monte Carlo Simulation. Durchschnittliche Berechnungszeiten von 5 ms zeichneten den entwickelten Algorithmus als wirkungsvolle Alternative zu zeitaufwändigen MC Simulationen aus. Für 250 MeV Protonen, die sich durch eine Anordnung von mehreren Materialscheiben bestehend aus 200 mm Wasser, 30 mm Luft und 190 mm Wasser bewegten, konnte ein lokaler 6% Dosisanstieg an der ersten Grenzfläche beobachtet werden. Grund dafür war der sogenannte Electron Return Effect. Dies war jedoch um mehr als einen Faktor zehn geringer als für vergleichbare Photonenstrahlen. Auch für die anderen Schichtmaterialien wurden geringe Dosisveränderungen von weniger als 2% bestimmt. Gemessene Strahlablenkungen in Magnetfeldern konnten erfolgreich durch einen numerischen Algorithmus berechnet werden. Dadurch können zeitaufwändige MC Simulationen umgangen werden. Die Verkippung der Bragg-Peak Region muss bei zukünftigen Dosisberechnungen für MR gestützte Partikeltherapie beachtet werden. Die lokalen Dosisveränderungen an Grenzflächen scheinen von ihrem Ausmaß her für klinische Anwendungen vernachlässigbar. Gegenwärtige Forschung beschäftigt sich mit der Entwicklung eines Pencil Beam Algorithmus für Partikel, der zusätzlich Magnetfeldeffekte in der Berechnung berücksichtigt.