Passive ion beam modulation techniques for particle therapy facilities utilizing active pencil beam scanning delivery systems

Die Partikeltherapie ist eine Alternative zur konventionellen Photonen-Strahlentherapie, die aufgrund der physikalischen und strahlenbiologischen Eigenschaften der Partikelstrahlung besondere Möglichkeiten für eine konforme Tumorbehandlung bietet. Die Partikeltherapie wird entweder mit passiven oder aktiven Applikationsverfahren realisiert. Bei der letztgenannten Technik, dem Rasterscanning-Verfahren, werden Magnete verwendet, um einen feinen Partikel-Nadelstrahl über die laterale Ausdehnung des Tumors zu scannen. In Strahlrichtung erfolgt eine Energiemodulation des Strahls entsprechend der Tiefenausdehnung des Tumors. Hierdurch resultiert eine hochkonforme Dosisverteilung. Einige der gegenwärtigen Einschränkungen des Rasterscanning-Verfahrens sind längere Bestrahlungszeiten und eine Anfälligkeit der resultierenden Dosisverteilungen gegenüber interfraktionellen Bewegungen des Tumors. In Partikeltherapiezentren ist die Bestrahlungszeit direkt mit dem Strahldurchmesser und der Breite des Bragg Peak korreliert. Die Zeit, die vom Beschleuniger benötigt wird um die Partikelenergie zu ändern bestimmt im Wesentlichen die Bestrahlungszeit des Patienten. Die Zahl der Energieschritte die erforderlich ist, um für einen typischen Tumor eine homogene Dosisabdeckung zu erreichen, kann insbesondere für Ionen, die schwerer als Protonen sind, in der Größenordnung von Hunderte liegen. Mit der Verbreiterung des primären Bragg-Peaks durch den Einsatz von passiven Energiemodulatoren kann die Anzahl der Energieschritte gesenkt werden, was nicht nur die Bestrahlungszeit reduziert, sondern auch eine höhere Partikelfluenz pro Energieschritt zur Folge hat, was zu einer höheren Präzision in den Strahlüberwachungssystemen führt. Diese Arbeit befasst sich mit der Implementierung derartiger passiver Energiemodulatoren, insbesondere des Ripple-Filters. Eine erste Generation von Ripple-Filtern wird derzeit in der Kohlenstoff-Ionen-Therapie in Deutschland, Italien, China und Japan eingesetzt. Diese Ripple-Filtern besteht aus feinen 1D Rillen, die auf einer homogenen Materialschicht aufgebracht sind. Diese Materialschicht führt zu einer unerwünschten zusätzlichen Streuung der Partikel. Darüber hinaus sind 1D Ripple-Filtern aufgrund des Herstellungsprozesses auf eine maximale Dicke von 3 mm beschränkt. Eine neue, zweite Generation von Ripple-Filtern wurde entwickelt mit 2D Strukturen. Im Vergleich zum alten Design sind die Auflösung und die Massenverteilung deutlich verbessert, wodurch Streueffekte und damit die resultierende laterale Strahlbreite reduziert wird. Mit dem 3D-Druck Herstellung-Methode ist die erzielbare Dicke der Ripple-Filter höher, und als Ergebnis können eine größere Breite des Bragg-Peaks und damit kürzere Bestrahlungszeiten erreicht werden. Das neue 2D-Design ist auch bei Proton-Behandlungen verwendbar, bei denen bislang keine Ripple-Filter verwendet werden. In dieser Dissertation wird eine methodische Bestrahlungsplanungstudie mit Anwendung der Ripple-Filtern vorgestellt. Es wurde festgestellt, dass Bestrahlungspläne mit 4- und 6-mm- dicken 2D-Ripple-Filtern vergleichbare dosimetrische Ergebnisse in Bezug auf die Dosishomogenität und Konformität im Zielvolumen liefern, wie die derzeit eingesetzten 3 mm dicken 1D-Ripple-Filter, aber mit deutlich reduzierten Bestrahlungszeiten: in Vergleich zu dem 3 mm 1D-Ripple-Filter senken die 4 und 6 mm 2D-Ripple-Filter die Bestrahlungszeit um 25-30% bzw. 45-49%. Die Dosishomogenität und -konformität sind für dünnere Ripple-Filter etwas besser, aber für alle Filter wurden klinisch akzeptable Ergebnisse erreicht. Die Ergebnisse sind im Allgemein besser für höhere Eindringtiefe. Die Untersuchungen zeigen aber auch, dass der Einsatz der 2D-Ripple-Filter für sehr kleine und oberflächennahe Tumore kritisch ist, d.h. zu klinisch nicht akzeptablen Dosisverteilungen führen kann. Neben der eigentlichen Geometrie der Ripple-Filter sind der Durchmesser des Partikelstrahls sowie die Fokussierung des Strahls beim Auftreffen auf den Ripple-Filter entscheidende Einflussgrößen für eine optimale Wirkung der Filter. Auch diese Untersuchungen sind Teil der vorliegenden Dissertation. Neben den neuen 2D-Ripple-Filtern sind im Rahmen der Arbeit auch poröse Materialien (Schaumstoffe, Lungenersatzmaterialien) experimentell und theoretisch untersucht worden, die als passive Energiemodulatoren in ähnlicher Weise wie Ripple-Filter verwendet werden können und darüber hinaus auch die Reichweite der Partikel verändern. Der Einsatz dieser Materialien könnte zukünftig bei oberflächennah gelegenen Tumoren zu einer geringeren Aufstreuung des Strahls und damit zu einer verbesserten Dosiskonformität im Patienten führen. Diese Arbeit enthält außerdem einen kurzen Ausblick mit einer Perspektive auf andere Methoden, die die Energieveränderungen vom Beschleuniger reduzieren könnten, sowie Kommentare zu zukünftige Designs von passiven Energiemodulatoren.