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Towards in-vivo Ion Range Measurements using Fluorescent Nuclear Track Detectors

Klimpki, Grischa

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Abstract

Die Strahlentherapie mit Schwerionen bietet eine sehr gute Abdeckung des Tumorvolumens bei gleichzeitiger Schonung gesunden Gewebes. Durch das inverse Dosisprofil der Teilchen wird die maximale Dosis in einem scharf begrenzten Tiefenbereich deponiert. Um von dieser distalen Dosiskante zu profitieren, ist allerdings die genaue Kenntnis von Reichweiten im Patienten unabdingbar. Unsicherheiten in der Bildgebung, im Planungsprozess und in der genauen Zusammensetzung der Teilchenfelder am Zielort aufgrund von Fragmentationsprozessen erzwingen eine verlässliche in-vivo Verifikation. Da biokompatible, fluoreszierende Kernspurdetektoren (FNTDs) genaue in-vivo Reichweitenmessungen in Aussicht stellen, wurden sie in dieser Bachelorarbeit untersucht. Ihre hohe Ortsauflösung erlaubt den zuverlässigen Nachweis einzelner Kern- und Fragmentspuren. Die Bestrahlung mit Protonen sowie mit Kohlenstoff-, Magnesium- und Schwefelionen am Max-Planck-Institut für Kernphysik hat gezeigt, dass sich FNTDs exzellent für Reichweitenmessungen eignen. Reichweiten einzelner Kernspuren wurden mit weniger als 3% Abweichung von tabellierten Werten (SRIM) ermittelt. Außerdem konnte eine Auswertungsroutine für Detektoren, die mit mehr als 10 Millionen Teilchen pro Quadratzentimeter bestrahlt wurden, ohne Genauigkeitsverlust automatisiert werden. In einer zweiten Reihe von Experimenten wurde darauf aufbauend analysiert, ob sich FNTDs grundsätzlich auch für in-vivo Reichweitenmessungen eignen. Am Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum wurde für einen PMMA-Zylinder, der neben Gewebeersatzmaterialien auch Kernspurdetektoren enthielt, ein Bestrahlungsplan erstellt und appliziert. Die geplante distale Kante wurde nach der Protonenbestrahlung mit dem aufgezeichneten Fluoreszenzprofil im Detektor verglichen. Die Unterschiede zwischen geplanter und beobachteter Reichweite lagen weit unter der genauigkeitslimitierenden CT-Schichtdicke von 1 mm.

Translation of abstract (English)

Heavy ion radiotherapy offers high dose conformity in the tumor volume while sparing healthy tissue. Because of the inverse dose profile, the maximal dose is deposited in a well-defined, narrow depth range at the distal track end. In order to fully benefit from this sharp dose fall-off, precise knowledge of ion ranges in the patient is substantial. Uncertainties in imaging, in the treatment planning process and in the composition of resulting particle fields due to fragmentation call for reliable in-vivo verification. Biocompatible fluorescent nuclear track detectors (FNTDs) are promising candidates for high-accuracy in-vivo range measurements and have, therefore, been investigated in this bachelor thesis. Their superior spatial resolution allows for measuring single particle tracks. Irradiation with protons as well as with carbon, sulfur and magnesium ions at the Max Planck Institute for Nuclear Physics has shown that FNTDs enable the possibility of high-accuracy ion range measurements. Single particle track ranges have been determined with less than 3% deviation from tabulated SRIM values. An automatic track bulk evaluation routine was established for particle fluences greater than 10 million particles per square centimeter yielding the same level of precision. In a second series of experiments, the basic suitability of FNTDs for clinical in-vivo applications has been analyzed. A treatment plan for a PMMA cylinder containing tissue surrogates and detectors was created and applied at the Heidelberg Ion-Beam Therapy Center. The planned distal edge was compared to the monitored fluorescence profile after proton irradiation. Differences in planned and observed range lay well below the accuracy limiting 1 mm CT slice thickness.

Item Type: Bachelor thesis
Supervisor: Jäkel, Prof. Dr. Oliver
Date of thesis defense: 12. June 2012
Date Deposited: 10. Jan 2012 13:55
Date: 2012
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Physics
Service facilities > German Cancer Research Center (DKFZ)
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Ionisierende Strahlung, Detektor, Laserinduzierte Fluoreszenz, Konfokale Mikroskopie, Effektive Reichweite, Heidelberg / Deutsches Krebsforschung
Uncontrolled Keywords: Fluorescent Nuclear Track Detector, Confocal Laser-scanning Microscopy, Projected Ion Range, Radiation Therapy, Treatment Plan Verification
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