German Title: Laser-beschleunigte Teilchen: Untersuchungen zu potenziellen Anwendungenen in der Strahlentherapie

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Abstract

Laser-plasma accelerators provide a new method to create energetic particle beams. Due to theircompactness and cost-efficiency the potential of an application to radiotherapy is studied in this work. First, the scaling of the proton energy with laser and target parameters was analyzed. The results imply that future laser systems might generate clinically relevant energies. Furthermore, options of controlling the typically Maxwellian proton energy spectrum were investigated. The approach of a modification by electric fields created at a second target with a second laser yielded insufficient results. However double-layer targets (a proton layer initially attached to a substrate) exhibit a “quasi-monoenergetic” part in the spectrum. Based on the studies of the effects of various target parameters on the energy spectrum a comparison of prostate treatment plans was performed. The increased plan quality for protons compared to photon beams varied with the assumed energy spread. The second part analyzes the dosimetric properties of laser-accelerated electrons. For 250 MeV electrons the depth dose curve yields a broad maximum at depths > 20 cm. Additionally the penumbra of treatment fields is smaller compared to the one of photons at depths < 10 cm. These properties led to slightly improved treatment plans compared to IMRT photon plans.

Translation of abstract (German)

Laser-Plasma-Beschleuniger bieten die Möglichkeit der Erzeugung hochenergetischer Teilchenstrahlen. Da sie im Gegensatz zu konventionellen Beschleunigern kompakter und kostengünstiger sind, wurden in dieser Arbeit potenzielle Anwendungen in der Strahlentherapie untersucht. Zunächst wurde die Abhängigkeit der maximalen Protonenenergie von Laser- und Targetparametern studiert. Die Ergebnisse zeigen, dass mit zukünftigen Laser-Systemen klinisch relevante Energien erreicht werden könnten. Zusätzlich wurden Möglichkeiten einer Modifikation des typischerweise exponentiell abfallenden Energiespektrums analysiert. Ein Ansatz bei dem das Spektrum durch elektrische Felder modifiziert wird, die an einem zweiten Target mittels eines zweiten Lasers erzeugt wurden, zeigte unzureichende Ergebnisse. Bei den sogenannten Double-Layer-Targets hingegen weist das Energiespektrum einer zu Beginn an ein Substrat gelagerten Protonenschicht eine “quasi-monoenergetische” Struktur auf. Der Einfluss unterschiedlicher Targetparameter auf die Energieverteilung wurde analysiert und darauf basierend ein Vergleich mit IMRT Prostata-Bestrahlungsplänen durchgeführt. Dieser zeigte für Protonenstrahlen mit einer endlichen Energiebreite eine Steigerung der Planqualität im Gegensatz zu einem Photonenplan. Im zweiten Teil wurden zunächst die dosimetrischen Eigenschaften laser-beschleunigter Elektronen untersucht. Für 250 MeV Elektronen weist die Tiefendosiskurve ein breites Maximum bei Tiefen > 20 cm auf. Außerdem ist der Halbschatten eines Bestrahlungsfeldes in Tiefen < 10 cm geringer als der eines Photonenfeldes. Diese Eigenschaften führen zu einer leichten Verbesserung der Qualität von Prostata-Bestrahlungsplänen im Vergleich zu IMRT Photonenplänen.