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Simulations, Optimizations, and Microdosimetric Measurements of Beam Quality for Heavy-Ion Tumor Therapy. A charged (particle) issue.

Sellner, Stefan

German Title: Simulationen, Optimierungen und mikrodosimetrische Messungen der Strahlqualität für die Schwerionen-Krebstherapie

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Tumor radiotherapy with charged particles offers superior properties in covering the tumor with radiation dose, while sparing the surrounding, healthy tissue better than standard X-rays. Thus, the success of the therapy is potentially increased. However, the application of this technique necessitates not only profound knowledge about its physical aspects, such as the uncertainties in the range of the particles which need to be taken into account in the therapy planning stage. In addition to the physical aspects, the biological effectiveness of particle radiation needs to be thoroughly understood. The effectiveness depends on many physical as well as biological quantities and is determined involving complicated models. Though, there is a close relation with the linear energy transfer (LET), i.e. the measure of the local concentration of energy deposition along a particle’s track. The higher the LET (up to a certain limit), the higher the biological effect. Furthermore, radiation resistant cells, e.g. due to a lack of oxygenation, can be effectively killed with radiation that has a high LET. The LET itself depends on the kinetic energy of the particle, just like the dose, which makes a simultaneous optimization of dose and LET possible only under some circumstances. However, this work presents a method that makes use of the dose ramp concept to beneficially re-distribute areas with high LET using protons, carbon ions and antiprotons, respectively, without notably influencing the dose distribution. In the experimental part of this work, a tissue-equivalent proportional counter (TEPC) is used to measure microscopic dose distributions in lineal energy, i.e. fluctuations of the energy concentration on sub-cellular length scales. The extent of these fluctuations as well as the magnitude of the energy concentration have, like the LET, an influence on the biological effect. In the measurements presented here it is assessed if there is a significant change in the dose distributions in lineal energy when comparing two methods of particle beam application to determine a potential impact on the biological effect.

Translation of abstract (German)

Krebstherapie mit Teilchenstrahlen bietet die Möglichkeit, den Tumor noch gezielter zu treffen als mit Röntgenstrahlen, wodurch umliegendes, gesundes Gewebe besser geschont wird und so die Erfolgswahrscheinlichkeit der Therapie erhöht werden kann. Die Anwendung dieser Technik bedarf allerdings weitreichender Kenntnisse nicht nur über die physikalischen Aspekte, sondern auch über die biologische Wirksamkeit der Strahlung in Gewebe. Diese Wirksamkeit hängt kompliziert von vielen physikalischen wie auch biologischen Faktoren ab und muss mit komplexen Modellen berechnet werden; es gibt jedoch einen engeren Zusammenhang mit dem linearen Energietransfer (LET), also dem Maß für die Konzentration der Energieabgabe eines Teilchens entlang seiner Spur: steigt der LET (bis zu einer gewissen Schwelle), so steigt auch die biologische Wirksamkeit. Ferner können wegen Sauerstoffarmut strahlenresistente Tumorzellen ebenfalls mit einem hohen LET wirksam abgetötet werden. Der LET selbst hängt jedoch wiederum von der kinetischen Energie des Teilchens ab, genau wie die Strahlendosis. Dies macht eine simultane Optimierung beider Größen nur bedingt möglich, eine Methode wird jedoch in dieser Arbeit vorgestellt, die sich das Konzept der Dosisrampen zunutze macht. Es werden Beispiele für Teilchenstrahlung bestehend aus Protonen, Kohlenstoffionen oder Antiprotonen vorgestellt und gezeigt, dass sich mit den heute verfügbaren und zugelassenen Mitteln der klinischen Dosisplanung Bereiche mit hohem LET vorteilhaft im Tumorvolumen verteilen lassen, ohne die Dosisverteilung nennenswert zu beeinflussen. Im experimentellen Teil der Arbeit geht es um die Anwendung eines gewebeäquivalenten Proportionalzählers (engl. tissue-equivalent proportional counter, TEPC), um mikroskopische Dosisverteilungen in linealer Energie, d.h. die Fluktuationen in der Energiekonzentration in subzellulären Größenordnungen, zu bestimmen. Das Maß der Fluktuationen und die Höhe der Energiekonzentration stehen ebenfalls, wie der LET, mit der biologischen Wirksamkeit in Zusammenhang. In den vorgestellten Messungen wird überprüft, ob sich zwei gängige Varianten der Teilchenstrahlapplikation maßgeblich in ihren Dosisverteilungen in linealer Energie unterscheiden, sodass sich unter Umständen aus den Unterschieden ein unterschiedlicher biologischer Effekt ableiten lässt.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Ullrich, Prof. Dr. Joachim
Date of thesis defense: 18 December 2013
Date Deposited: 13 Jan 2014 11:04
Date: 2013
Faculties / Institutes: Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Nuclear Physics
Subjects: 500 Natural sciences and mathematics
530 Physics
600 Technology (Applied sciences)
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