Charakterystyka widm liniowego przekazu energii w radioterapii protonowej z modulacją intensywności wiązki
Loading...
DOI
Date
2025
Authors
Stasica-Dudek, Paulina
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Thesis supervisors
Publisher
The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences
License Type
Creative commons license
Abstract
Radioterapia protonowa z modulacją intensywności wiązki (z ang. Intensity-Modulated Proton Therapy, IMPT) pozwala na lepszą ochronę zdrowych tkanek w porównaniu do konwencjonalnie stosowanych metod radioterapii wykorzystujących wiązki fotonowe lub elektronowe. W odróżnieniu od radioterapii konwencjonalnej, jakość promieniowania w mieszanych polach produkowanych przez wiązki protonowe jest zmienna, co wpływa na efektywność biologiczną oddziaływania protonów z komórkami w ciele pacjenta. Jakość promieniowania opisana może być rozkładem linowego przekazu energii (z ang. \textit{linear energy transfer}, LET) i współczesne systemy do planowania leczenia pozwalają na uwzględnienie tego parametru w procesie optymalizacji planów napromieniania obok standardowo stosowanego rozkładu dawki. Do tej pory jednak brakuje komercyjnie dostępnych rozwiązań dla eksperymentalnej walidacji obliczeń oraz procedur kontroli i zapewniania jakości uwzględniających LET. Celem niniejszej pracy jest opracowanie metod eksperymentalnej weryfikacji jakości mieszanych pól promieniowania z uwzględnieniem LET pojedynczych protonów, co pozwoli w przyszłości na bezpieczne zastosowanie optymalizacji LET w planowaniu leczenia, poprawę skuteczności terapii oraz zminimalizowanie jej skutków ubocznych.
W tej pracy do charakterystyki LET zastosowano rozwinięty w CERN i skomercjalizowany przez firmę ADVACAM (Praga, Czechy) zminiaturyzowany półprzewodnikowy detektor pikselowy MiniPIX Timepix3. Detektor ten pozwala na śledzenie i pomiar energii depozycji od pojedynczych cząstek, umożliwiając identyfikację śladów protonów oraz charakterystykę LET w mieszanych polach promieniowania. Na podstawie pomiarów ze źródłem Am-241 oraz pojedynczymi wiązkami protonowymi w powietrzu oceniono wpływ modyfikacji ustawień elektroniki odczytu na działanie detektora. Następnie wykonano pomiary ze zredukowanym prądem wiązki dla pojedynczych wiązek ołówkowych, planu napromieniania poszerzonego piku Bragga, a także planów leczenia zoptymalizowanych z modulacją intensywności w fantomie jednorodnym i antropomorficznym. Identyfikacji śladów protonów dokonano wykorzystując metody sztucznej inteligencji.
Modyfikacja ustawień elektroniki odczytu detektora pozwoliła zmniejszyć poziom zajęcia pikseli i skrócić czas trwania sygnału dla protonów o 80%. Ponadto poprzez podniesienie progu detekcji, liczba zajętych pikseli została dodatkowo zmniejszona o 20-40%. Wyniki pomiarów dla planów napromienienia w fantomach jednorodnych porównano z wynikami symulacji Monte Carlo uzyskując zgodność kształtu widm oraz wartości średnich LET ważonego dawką. W fantomie antropomorficznym zaobserwowano różnice w kształcie widm wykraczające poza zakres niepewności, co może być spowodowane różnicami między rzeczywistymi a zaimplementowanymi w kodzie Monte Carlo przekrojami czynnymi na reakcje jądrowe.
Eksperymentalna charakterystyka LET w warunkach terapii protonowej ma na celu walidację obliczeń oraz zapewnienie i kontrolę jakości planów terapeutycznych IMPT zoptymalizowanych z uwzględnieniem dawki i LET. W niniejszej pracy zaproponowano metodologię oceny jakości promieniowania w terapii protonowej poprzez pomiary widm LET w jednorodnych i klinicznych polach IMPT. Prosty układ pomiarowy i komercyjna dostępność detektora pozwalają na zastosowanie opracowanej metodologii w dowolnym ośrodku radioterapii protonowej. W przyszłości, planowane jest rozszerzenie i testy opracowanej metodologii w radioterapii wiązkami ciężkich jonów.
Intensity-modulated proton therapy (IMPT) offers improved protection for healthy tissues compared to conventional radiotherapy methods in which photon or electron beams are applied. Unlike conventional radiotherapy, the radiation quality in mixed fields generated by proton beams is variable, affecting the biological effectiveness of proton interactions with cells in the patient's body. Radiation quality can be quantified with the linear energy transfer (LET) distribution, and modern treatment planning systems allow optimization of irradiation plans taking into account this parameter along with the standard dose distribution. However, no commercially available experimental solutions are currently available for validating LET calculations or implementing quality control and assurance procedures that account for LET. This work proposes a methodology for experimental validation of the quality of mixed radiation fields quantified by single-proton LET. This will enable a safe implementation of LET optimization in treatment planning, enhancing the effectiveness of therapy and reducing side effects in the future. In this work, a miniaturized semiconductor pixel detector, MiniPIX Timepix3, developed at CERN and commercialized by ADVACAM (Prague, Czech Republic), was used for LET characterization. This detector allows tracking and measuring the energy depositions from single particles, enabling the identification of proton tracks and the characterization of LET in mixed radiation fields. The impact of modifications to the readout electronics settings on the detector performance was assessed based on measurements with an Am-241 source and single proton beams in air. Next, measurements with reduced beam current were performed for single pencil beams, a plan irradiated with the spread-out Bragg peak technique, and intensity-modulated proton therapy treatment plans in a homogeneous and anthropomorphic phantom. Proton tracks were identified using artificial intelligence methods. As a result of modified detector readout settings, the signal duration for protons was reduced by 80%. Moreover, by increasing the detection threshold, the number of occupied pixels was additionally reduced by 20-40%. The measurement results for irradiation plans in homogeneous phantoms were compared with the results of Monte Carlo simulations, achieving an agreement of the spectra shape and dose-averaged LET values. In the anthropomorphic phantom, differences in the shape of spectra exceeded the uncertainty range, which may be caused by differences between the actual cross sections for nuclear reactions and those implemented in the Monte Carlo code. Experimental characterization of LET in proton therapy conditions is necessary to validate calculations and ensure the quality of the IMPT treatment plans optimized with dose and LET. This work proposes a methodology for assessing the radiation quality in proton radiotherapy by measuring LET spectra in homogeneous and clinical IMPT fields. A simple experimental setup and commercial availability of the detector allow the application of the developed methodology in any proton radiotherapy center. In the future, it is planned to extend and test the developed methodology in heavy-ion radiotherapy.
Intensity-modulated proton therapy (IMPT) offers improved protection for healthy tissues compared to conventional radiotherapy methods in which photon or electron beams are applied. Unlike conventional radiotherapy, the radiation quality in mixed fields generated by proton beams is variable, affecting the biological effectiveness of proton interactions with cells in the patient's body. Radiation quality can be quantified with the linear energy transfer (LET) distribution, and modern treatment planning systems allow optimization of irradiation plans taking into account this parameter along with the standard dose distribution. However, no commercially available experimental solutions are currently available for validating LET calculations or implementing quality control and assurance procedures that account for LET. This work proposes a methodology for experimental validation of the quality of mixed radiation fields quantified by single-proton LET. This will enable a safe implementation of LET optimization in treatment planning, enhancing the effectiveness of therapy and reducing side effects in the future. In this work, a miniaturized semiconductor pixel detector, MiniPIX Timepix3, developed at CERN and commercialized by ADVACAM (Prague, Czech Republic), was used for LET characterization. This detector allows tracking and measuring the energy depositions from single particles, enabling the identification of proton tracks and the characterization of LET in mixed radiation fields. The impact of modifications to the readout electronics settings on the detector performance was assessed based on measurements with an Am-241 source and single proton beams in air. Next, measurements with reduced beam current were performed for single pencil beams, a plan irradiated with the spread-out Bragg peak technique, and intensity-modulated proton therapy treatment plans in a homogeneous and anthropomorphic phantom. Proton tracks were identified using artificial intelligence methods. As a result of modified detector readout settings, the signal duration for protons was reduced by 80%. Moreover, by increasing the detection threshold, the number of occupied pixels was additionally reduced by 20-40%. The measurement results for irradiation plans in homogeneous phantoms were compared with the results of Monte Carlo simulations, achieving an agreement of the spectra shape and dose-averaged LET values. In the anthropomorphic phantom, differences in the shape of spectra exceeded the uncertainty range, which may be caused by differences between the actual cross sections for nuclear reactions and those implemented in the Monte Carlo code. Experimental characterization of LET in proton therapy conditions is necessary to validate calculations and ensure the quality of the IMPT treatment plans optimized with dose and LET. This work proposes a methodology for assessing the radiation quality in proton radiotherapy by measuring LET spectra in homogeneous and clinical IMPT fields. A simple experimental setup and commercial availability of the detector allow the application of the developed methodology in any proton radiotherapy center. In the future, it is planned to extend and test the developed methodology in heavy-ion radiotherapy.
Description
Praca została zrealizowana przy wsparciu finansowym Narodowego Centrum Badań i Rozwoju w ramach grantu LIDER XII o numerze LIDER/43/0222/L-12/20/NCBR/2021 pod kierownictwem dr. inż. Jana Gajewskiego.
Paulina Stasica-Dudek dziękuje za wsparcie finansowe udzielone przez Narodową Agencję Wymiany Akademickiej w ramach programu STER Umiędzynarodowienie Szkół Doktorskich (numer PPI/STE/2020/1/00020 oraz BPI/STE/2023/1/00027/U/00001).
Keywords
Citation
Sponsorship:
Narodowe Centrum Badań i Rozwoju, Narodowa Agencja Wymiany Akademickiej
Grantnumber:
LIDER/43/0222/L-12/20/NCBR/2021; PPI/STE/2020/1/00020, BPI/STE/2023/1/00027/U/00001
License Type
Attribution 4.0 International