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Experimental and computational investigation of water-to-air stopping power ratio for ion chamber dosimetry in carbon ion radiotherapy

Sánchez Parcerisa, Daniel

German Title: Experimentelle und theoretische Untersuchung von Wasser-Luft-Anhalten-Leistungsverhältnis für Ionenkammer Dosimetrie in der Strahlentherapie Kohlenstoff-Ionen

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Particle therapy is an advanced modality of cancer radiotherapy which allows the delivery of a highly conformal dose to the tumour while considerably sparing healthy tissue. This work aims at improving the accuracy of ion chamber dosimetry for particle therapy with carbon ion beams. The readout of air-filled ionization chambers is affected by a number of correction factors, some of which are known only with limited accuracy. This study deals with one of this beam quality correction factors, the stopping power ratio between water and air, or sw,air. On a first step, we planned and carried out experimental measurements to determine the value of water-to-air stopping power ratio in monoenergetic carbon ion beams. Then, we used the Monte Carlo code FLUKA to extend the results of those measurements to realistic treatment beams, and to develop a model to calculate sw,air for any given position in a treatment field. Finally, we tested the developed model in patient cases, to study its possible application in absolute dosimetry and patient plan verification. The obtained results are promising and can, if incorporated in the recommended dosimetry protocols, reduce the uncertainty margins in the determination of absorbed dose for carbon ion beam radiotherapy.

Translation of abstract (German)

Die Partikeltherapie ist eine zukunftsweisende Form der Strahlentherapie zur Bekämpfung von Krebs, die die Applikation von äußerst tumorkonformen Dosisverteilungen bei gleichzeitiger Schonung gesunden Gewebes ermöglicht. Die vorliegende Arbeit zielt auf eine Verbesserung der Genauigkeit der Dosimetrie mit Ionisationskammern bei der Partikeltherapie mit Kohlenstoffionen ab. Das Messsignal luftgefüllter Ionisationskammern wird durch eine Reihe von Korrekturfaktoren beeinflusst, die teilweise nur mit begrenzter Genauigkeit bekannt sind. Diese Studie untersucht einen dieser Korrekturfaktoren, nämlich das Verhältnis des Bremsvermögens von Wasser und Luft, sw,air. In einem ersten Schritt haben wir experimentelle Messungen mit monoenergetischen Kohlstoffionen zur Bestimmung des Verhältnisses des Bremsvermögens von Wasser und Luft geplant und durchgeführt. Danach haben wir die Monte Carlo Software FLUKA benutzt, um die Ergebnisse der Messungen auf realistische Therapiestrahlen zu erweitern und ein Modell zur Berechnung von sw,air für jede Position im Behandlungsfeld zu entwickeln. Schließlich haben wir das entwickelte Modell anhand von Patientenbeispielen getestet, um seine Anwendung in der Absolutdosimetrie und Planverifikation zu untersuchen. Die erzielten Ergebnisse sind vielversprechend und können, wenn sie in die empfohlenen Dosimetrieprotokolle aufgenommen werden, die Unsicherheit bei der Bestimmung der absorbierten Dosis in der Kohlenstoffionentherapie vermindern.

Document type: Dissertation
Supervisor: Parodi, Dr. PD Katia
Date of thesis defense: 25 July 2012
Date Deposited: 31 Jul 2012 14:44
Date: 2012
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
DDC-classification: 530 Physics
Uncontrolled Keywords: hadrontherapy , particle therapy , dosimetry , ionization chambers , stopping power ratio
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