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Fluence-based Dosimetry using Fluorescent Nuclear Track Detectors

Klimpki, Grischa

German Title: Fluenzbasierte Dosimetrie mit fluoreszierenden Kernspurdetektoren

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Abstract

Carbon ion radiotherapy offers conformal dose coverage of deep-seated tumors and an enhanced radiobiological effectiveness compared to conventional photon treatment. Since the clinical outcome depends on both energy deposition and particle field composition, spectroscopic beam information is imperative for treatment planning and verification. Current fluence-based dosimeters have the potential to measure required quantities, but because of their size and electronic components, the majority of them is not suitable for in vivo applications.

Fluorescent nuclear track detectors (FNTDs) are small and biocompatible aluminum oxide plates. Their superior spatial resolution allows for track-by-track characterization of heavy charged particle fields at clinically relevant fluences. Thus, their fluence-based dosimetry performance has been investigated within this thesis.

Fluence assessment in multidirectional fields was realized by ion track reconstruction through the detector volume. The angular distribution could be measured accurately within 2° uncertainty. This translated into less than 5% overall fluence deviation from the chosen irradiation reference. Combination of this novel routine with an improved energy loss calibration curve based on 90 FNTD irradiations enabled fluence-based dose determination for mixed heavy ion fields. The analysis of a detector irradiated in Bragg peak proximity of a 270 MeV/u carbon ion field resulted in 85% dose agreement with treatment planning software prediction.

Translation of abstract (German)

Die Strahlentherapie mit Kohlenstoffionen ermöglicht eine hochpräzise Dosisabdeckung von tief liegenden Tumoren und bietet zusätzlich eine erhöhte biologische Wirksamkeit im Vergleich zu konventioneller Photonentherapie. Da das Behandlungsergebnis sowohl von der Energiedeposition als auch von der Zusammensetzung des Teilchenfeldes abhängt, sind spektroskopische Strahlinformationen unerlässlich für Therapieplanung und Verifikation. Gängige fluenzbasierte Dosimeter können die geforderten Größen zwar messen, eignen sich aufgrund ihrer Größe und Elektronik jedoch kaum für in vivo Anwendungen.

Fluoreszierende Kernspurdetektoren (FNTDs) sind kleine, biokompatible Aluminiumoxidplättchen. Ihre hohe Ortsauflösung schafft die Voraussetzungen dafür, Schwerionenfeldern klinischer Fluenzen anhand einzelner detektierter Teilchenspuren zu charakterisieren. Deshalb wurde innerhalb dieser Arbeit die Leistungsfähigkeit von FNTDs bezüglich fluenzbasierter Dosimetrie untersucht.

Die Fluenz multidirektionaler Felder wurde über die rekonstruierten Spurlängen im Detektorvolumen ermittelt. Die Winkelverteilung konnte bis auf 2° genau bestimmt werden. Daraus ergibt sich eine Fluenzabweichung von weniger als 5% von der Bestrahlungsreferenz. Zusammen mit einer verbesserten Kalibration des Energieverlustes anhand von 90 bestrahlten FNTDs eröffnete dies die Möglichkeit, die Dosisdeposition gemischter Schwerionenfelder fluenzbasiert zu berechnen. Die Auswertung eines Detektors, der nahe des Bragg-Peaks eines 270 MeV/u Kohlenstoffionenfeldes platziert wurde, ergab eine Dosisübereinstimmung von 85% mit dem zugehörigen Bestrahlungsplanungswert.

Item Type: Master's thesis
Supervisor: Bachert, Prof. Dr. Peter
Place of Publication: Heidelberg
Date of thesis defense: 29 August 2014
Date Deposited: 10 Sep 2014 09:32
Date: 29 August 2014
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Physics
Service facilities > German Cancer Research Center (DKFZ)
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Dosimetrie, Ionisierende Strahlung, Detektor, Laserinduzierte Fluoreszenz, Konfokale Mikroskopie, Heidelberg / Deutsches Krebsforschung
Uncontrolled Keywords: Fluence-based Dosimetry, Fluorescent Nuclear Track Detector, Confocal Laser-scanning Microscopy, Radiation Therapy, Treatment Plan Verification
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