Investigation of the prompt gamma ray emission for on-line monitoring in ion therapy

Abstract

Diese Diplomarbeit beschaeftigt sich mit der Untersuchung der Emission und dem Verhalten von prompten Gamma-Photonen bei der Ionentherapie mit Kohlenstoffatomen. Das Ziel dieser Untersuchung war die Entwicklung einer Methode, welche die durch Kernreaktionen des einfallenden Therapiestrahls mit dem bestrahlten Gewebe entstehenden prompten Gammas zur Bestimmung des Bragg Peaks direkt waehrend der medizinischen Behandlung nutzt. Im Zuge dieser Arbeit wurden Monte Carlo Simulationen mit der Simulationsumgebung GATE (GEANT 4 Application for Tomographic Emission) am Rechencluster des AKH-Wien durchgefuehrt. Dabei wurden verschiedene Entstehungsparameter der prompten Gamma-Photonen wie Produktionsrate, -richtung und -energie abhaengig von der Primaerenergie der Kohlenstoffionen und der Eindringtiefe in einem Wasservolumen gemessen und auf eine moegliche Verbindung dieser zur Position des Bragg Peaks und somit zur Verteilung der abgegebenen Dosis ueberprueft. Dadurch konnte ein Energiebereich fuer die entstehenden Gammastrahlen ermittelt werden, in welchem die Produktionsrate der Photonen einen signifikanten Abfall unmittelbar nach dem Bragg Peak aufweist. Außerdem wurde untersucht ob die Photonen derartige Eigenschaften bis zum Austritt aus dem bestrahlten Medium behalten und sich dadurch fuer ein Monitoring eignen. Dafuer wurden das Streuverhalten von Photonen und deren Absorptionsraten bei entsprechenden Energien untersucht. Zusaetzlich wurde aus den gemessenen Entstehungsparametern und der Geometrie der virtuellen Anordnung eine moegliche Messung der prompten Gamma-Photonen außerhalb des bestrahlten Materials berechnet und das Ergebnis mit direkten Messungen verglichen.

This thesis deals with the investigation of the emission and the manner of prompt gamma rays in radiotherapy with carbon ions. The aim of this investigation was to develop a method which uses the prompt gamma rays, created by nuclear reactions of the incident therapy beam with the irradiated tissue, to determine the position of the Bragg peak during the medical treatment. The experiments of this work were carried out by Monte Carlo simulations in the framework of the simulation environment GATE (GEANT4 Application for Tomographic Emission) realized on the computer cluster of the AKH Vienna. In the course of this investigations some production parameters of prompt gamma rays like the production rate, energy and direction were measured as a function of the primary carbon ion energy and the penetration depth in a water target. A possible connection between these and the position of the Bragg peak and for that the dose delivery was checked. Thereby an energy range for produced gamma rays can be detected in which the production rate of the photons shows a significant drop right after the Bragg peak. Furthermore the possibility of these photons to transport and held this properties till they can be measured outside an irradiated tissue was examined to proof if they are suitable for monitoring. For that reason the scattering of photons and their absorption rate were investigated at the respective energies. Additional a possible result of a measurement of prompt gamma photons outside of the irradiated material was calculated with the help of the measured production parameters and the virtual geometry of the simulation. Afterwards it was compared with the outcome of a direct measurement outside the target.