PHITS modelling of an experimental setup for proton radiotheraphy using an anthropomorphic phantom

Abstract

Ein menschliches RANDO Phantom wurde für Protontherapiesimulationen angewendet. CT-Scans von dem Phantom wurden benutzt um einen Behandlungsplan mit RayStation 5 für einen imaginären Gehirntumor zu erstellen. Die vorgeschriebene Mediandosis betrug 60 Gy. Der Protonenstrahl, der im Behandlungsplan benutzt wurde, adoptiert die Gegebenheiten des Teilchenbeschleunigers vom MedAustron bezüglich der Strahlenparameter. Dieser Plan wurde transferiert in eine Input-Datei für den Monte-Carlo Transportcode PHITS. In PHITS wurde das NUNDO (Numerisches Voxelmodell von RANDO) Phantom genutzt. NUNDO besteht aus 30 Organen und 1596 Thermolumineszenzdetektoren, die in einem regelmäßigen Gitter angeordnet sind. Die Dosisdeposition im Phantom und der Teilchenfluß der Protonen, Neutronen und Photonen wurden simuliert. Um das Transferprozedere von RayStation nach PHITS zu prüfen, wurde zuerst ein Behandlungsplan für einen einfachen Wassertank erstellt und die Ergebnisse wurden verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass PHITS in der Lage ist, die Mediandosis im Tumor von RayStation auf 1 % genau zu reproduzieren. Detaillierte Dosisverteilungen in und außerhalb des Tumors zeigen aber Unterschiede von 10 bis 20 % zwischen RayStation und PHITS. Die Dosis außerhalb des Teilchenstrahls wurde hauptsächlich von Photonen und Neutronen erzeugt. Für Distanzen, die mehr als 50 cm vom Tumor entfernt sind dominiert die Dosis von Photonen. Am unteren Ende des Torsos betrug die niedrigste Dosis ungefähr 1 ¿Gy. Die Resultate dieser Arbeit können in zukünftigen Experimenten am MedAustron in Österreich verwendet werden.

A RANDO human phantom was applied for proton therapy calculations. CT-scans of the phantom were used to create a treatment plan with RayStation 5 for an imaginary brain tumor. The prescribed median dose was set to 60 Gy. The beam, used in the treatment plan, adopts the conditions met at the MedAustron accelerator in terms of beam parameters. Then this plan was transferred into an input file for the Monte-Carlo code PHITS, in which the NUNDO (numerical voxel model of the RANDO) phantom was used. The NUNDO consists of 30 organs and 1596 thermoluminescence detectors, which are placed in it in a regular grid. The dose deposition in phantom and the fluence of protons, neutrons and photons were simulated. To validate the transfer procedure from RayStation to PHITS, first a treatment plan for a simple watertank was created and the results were compared. It was shown that PHITS is able to reproduce the average dose in the target from RayStation within 1 %, but in detailed dose distributions in and outside the target the differences between PHITS and RayStation are 10 to 20 %. The dose outside the beam line is generated mainly from photons and neutrons. Above 50 cm away from the target, the dose from photons dominates. At the bottom of the phantom torso the lowest dose was about 1 ¿Gy. The results of this thesis will be further used for future experiments at the proton and ion therapy facility MedAustron in Austria.