Simulation studies for the Bragg peak determination using prompt gamma rays in ion therapy

Abstract

In der Strahlentherapie mit Ionen gibt es keine zufriedenstellende Methode um die Reichweite der Ionen in Echtzeit zu überprüfen. Das PET Monitoring, welches in einigen Einrichtungen zu diesem Zweck installiert wurde, hat einige Nachteile. Deswegen werden neue Methoden untersucht, wie zum Beispiel die Detektion von prompt emittierten gamma - Photonen. Diese Photonen werden entlang des ganzen Pfades der Ionen von angeregten Target- und Projektilteilchen emittiert, mit einem Maximum der Emission in der Region des Bragg-Peaks in den meisten Energiebereichen. Durch dieses Maximum sollte der Bragg-Peak und damit auch die Reichweite der Ionen im Target bestimmt werden. Dieser Umstand wurde mittels der Gate Simulationsumgebung untersucht. Die Winkelverteilung der Photonen wurde gemessen mit dem Ergebnis, dass mehr Photonen in Strahlrichtung gemessen werden als in die Gegenrichtung für einen Großteil der Energiebereiche der Photonen. Die Reichweite der Ionen wurde berechnet indem prompte Photonen außerhalb eines Wassertargets mittels zylindrischer Bleikollimatoren und zylindrischer Detektoren gemessen wurden. Die endliche Länge der Kollimatoren, die Septenpenetration und Absorptionseffekte im Target wurden durch eine Responsefunktion berücksichtigt, welche die Photonenproduktion und die Photonendetektion verband. Die Genauigkeit der Berechnung der Reichweite der Ionen war zu einem großen Teil von den Fehlern dieser Responsefunktion abhängig und der relative Fehler lag zwischen 0 % und 5 %, abhängig von der Primärenergie.

In the radiation therapy with ions, no satisfying method exists for real-time range monitoring. The PET monitoring, which is implemented in a few facilities for this purpose, has its drawbacks. This is why new methods are under investigation, like the detection of promptly emitted gamma - photons. These photons are emitted all along the ion path from excited target and projectile particles, with a maximum of the emission in the region of the Bragg peak for the most photon energies. By this maximum, the Bragg peak depth and with that, the ion range should be identified. This circumstance was investigated using the Gate simulation framework. The angle distribution of the photons was measured with the result, that more photons are detected in forward direction than in backward direction for a majority of the photon energy ranges. The ion range was calculated by detecting the prompt photons outside of a water target using cylindrical lead collimators and cylindrical detectors. The finite collimator length, the septal penetration and absorption effects in the target were taken into account by a response function, which linked the photon production with the photon detection. The accuracy of the calculation of the ion range largely depended on the errors of this response function and the relative error varied between 0 % and 5 %, depending of the primary ion energy.