Title: Energy verification in ion beam therapy
Language: English
Authors: Moser, Fabian 
Qualification level: Doctoral
Advisor: Benedikt, Michael
Assisting Advisor: Badurek, Gerald
Issue Date: 2012
Number of Pages: 127
Qualification level: Doctoral
Abstract: 
Ionenstrahltherapie ist eine Methode zur Behandlung von malignen Tumoren, meist mit Protonen oder Kohlenstoff-Ionen. Sie hat den Vorteil, dass vor allem bei tief liegenden Tumoren das umliegende Gewebe deutlich weniger belastet wird als bei konventioneller Strahlentherapie, was am abrupten Anstieg und anschließenden Abfall ("Bragg-peak") der im Gewebe deponierten Dosis liegt.
Damit Ionen bis zu den erforderlichen Eindringtiefen von etwa 30 cm in Gewebe eindringen, müssen sie auf eine entsprechende kinetische Energie von etwa 250 MeV bei Protonen oder etwa 400 MeV/n bei Kohlenstoff-Ionen beschleunigt werden. Durch eine Kombination verschiedener Energien ("Stapeln" der Bragg-peaks) wird eine gleichmäßige Dosisverteilung erzielt.
Die medizinischen Verwendung des erzeugten Strahls stellt weitreichende Anforderungen an die Entwicklung und Konstruktion des Beschleunigers und der eingesetzten Software. Eine "online" Überwachung sämtlicher Strahlparameter erlaubt die frühzeitige Erkennung von Abweichungen derselben von den jeweiligen Vorgabewerten und dient der Begrenzung der mit solchen Abweichungen verbundenen Risiken. Die vorliegenden Arbeit behandelt in diesem Zusammenhang die Verifikation der Strahlenergie.
Im ersten Schritt wurden die Auswirkungen fehlerhafter Strahlenergien auf die Behandlung bzw. auf die erzeugte Dosisverteilung analysiert.
Insbesondere mussten die maximal akzeptablen Abweichungen bei verschiedenen Energien und Teilchenarten bestimmt werden. Ein umfassender Überblick über mögliche Methoden zur Messung von Teilchenenergien bestimmt für jede Methode die den Anforderungen entsprechenden Kenndaten und nennt gegebenenfalls Beispiele für den Einsatz an bereits existierenden Anlagen. Es stellte sich heraus, dass die Anforderungen am ehesten von einer Flugzeitmessung oder von einer Messung der Dosisverteilung bei Absorbtion der Teilchen erfüllt werden.
Diese beiden Methoden wurden anschlieÿend im Detail betrachtet.
Eine Flugzeitmessung in einem Synchrotron erfordert eine Messung des Umfangs des geschlossenen Orbits und der Umlauffrequenz des Teilchenpakets. Der Umfang wird aus den über das Synchrotron verteilten Strahlpositionsmessungen berechnet. Dabei spielt nicht nur die vorgesehene Genauigkeit der Positionsmessungen sondern auch deren Verteilung entlang des Beschleunigers eine Rolle. Auÿerdem muss die Art, Lage und Genauigkeit der Beschleunigermagneten berücksichtigt werden.
Eine Simulation möglicher Magnet- und Messfehler zeigt die erzielbare Genauigkeit der Umfangsmessung. Die Genauigkeit der Messung der Umlauffrequenz bestimmt sich vor allem aus der Dauer der Messung.
Da keine der existierenden Dosisverteilungsmessungen eine ausreichende Geschwindigkeit und zugleich Genauigkeit aufweist, wurde für diese Messung ein Konzept eines neuen Detektortyps entwickelt. Aufgrund der hohen Strahlenhärte fiel die Wahl auf einen Diamantdetektor, wobei anhand von detaillierten Simulationen mit realistischen Strahleigenschaften und Detektordimensionen gezeigt wurde, dass eine Anordnung von zwei handelsübliche Detektoren in Kombination mit einem passenden Reichweitenmodulator die gestellten Anforderungen erfüllt.

Ion beam therapy is a method for treatment of malignant tumours, mostly with protons or carbon ions. It has the advantage that the tissue surrounding the tumour receives significantly less dose compared to conventional radiation therapy because of the abrupt rise and subsequent decay ("Bragg peak") of the dose deposited in tissue.
In order to penetrate to the necessary depths of up to 30 cm in tissue, the ions must be accelerated to energies of about 250 MeV in case of protons or about 400 MeV/n in case of carbon ions. By a combination of different energies ("stacking" of Bragg peaks), a homogeneous dose distribution is achieved.
The adoption of accelerators for medical applications has significant implications concerning the requirements towards development and construction of the accelerator hardware and software. An on-line verification of all beam parameters provides early detection of erroneous parameters and serves the reduction and limitation of associated risks. In this context, this thesis examines the verification of the ion beam energy.
First, the consequences of an irradiation with incorrect beam energies had to be analysed. In particular the maximum acceptable errors at different energies and for different particle types had to be determined. A comprehensive overview of possible methods for energy verification lists the specific requirements for each method from the maximum acceptable errors and, where possible, discusses examples for depolyment at existing facilities. It turns out, that the imposed requirements are best met by either a time-of-flight measurement or a measurement of the depth-dose distribution during particle absorption.
These two methods are therefore studied in detail afterwards.
A time-of-flight measurement in a synchrotron consists of a measurement of the closed orbit circumference and the bunch revolution frequency.
The circumference is computed from beam position measurements distributed along the synchrotron ring. The precision of the circumference measurement depends not only on the precision of those measurements, but also on their locations along the ring and on the type, position and precision of the lattice magnets. A simulation of the foreseen magnet and measurement errors determines the circumference precision that can be achieved. The precision of the revolution frequency measurement mainly depends on the measurement duration.
Since there exists no fast and precise depth-dose measurement concept, a new detector concept had to be developed for that purpose. Due to its outstanding radiation hardness, a diamond-based detector concept was chosen. Detailed simulations using realisitc beam properties and detector dimensions showed that a design based on two off-the-shelf diamond layers in combination with a range shifter is able to fulfill the requirements.
Keywords: ionenstrahltherapie; strahlentherapie; patientensicherheit; medaustron; energie; eindringtiefe; Bragg peak; Karbon Ionen; Protonen
ion beam therapy; radiation therapy; patient safety; medaustron; energy; penetration depth; Bragg peak; carbon ions; protons
URI: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-46768
http://hdl.handle.net/20.500.12708/8739
Library ID: AC07813571
Organisation: E141 - Atominstitut 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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