independent dose calculations for quality - ETH E

DISS. ETH NO. 22928
INDEPENDENT DOSE CALCULATIONS FOR QUALITY
ASSURANCE AND TREATMENT PLANNING IN PENCIL BEAM
SCANNED PROTON THERAPY
A thesis submitted to attain the degree of
DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH
(Dr. sc. ETH Zurich)
presented by
GABRIEL JONAS MEIER
MSc ETH in Physics
born on 20.03.1987
citizen of
Hemmiken, BL
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Antony John Lomax
Prof. Dr. Klaus Kirch
Prof. Dr. Oliver Jäkel
2015
Abstract
For more than a century, ionizing radiation has been used to treat cancer.
Most advances in research have been related to increasing dose conformation to the tumor thus reducing damage to healthy tissue. These advances
increased the accuracy requirements for irradiation and led to increasingly
time-consuming quality assurance procedures such as regular (daily, monthly,
yearly) machine quality assurance (QA), as well as patient (plan) specic
QA. Proton therapy (especially pencil beam scanned proton therapy) as a
form of highly conformal radiation therapy is no exception to this, and the
requirements of a large number of dose measurements represents a bottleneck for adapting delivery plans to changing anatomy as well as increasing
patient numbers. To assure correct delivery, treatment delivery is monitored
by the machine and compared to nominal values, allowing for a quick interruption of dose administration in case of detected discrepancies. The rst
part of this work is dedicated to the development and implementation of an
independent dose calculation (IDC) system, to calculate three dimensional
dose distributions for various eld and beam characterizations, geometries
and dose algorithms. This allows for independent 3D dose calculations to be
performed at dierent stages in the treatment process, thus serving as a tool
for virtual verications. The use of such a tool for commissioning, quality
assurance and clinical routine is then presented by means of a number of
examples.
To better utilize the capabilities of Gantry 2, the new treatment gantry
at the Paul Scherrer Institut (PSI), the aforementioned tool was extended
by spot placement and optimization algorithms, turning it into a basic planning tool. By using an approach referred to as contour scanning, i.e. placing
beams along the contours of the tumor instead of on a regular grid, the
possibility of further improving dose conformation is explored.
Plan com-
parison show the potential of improving dose conformation with little to
no reduction of dose coverage and homogeneity. Proof of concept measurements performed on Gantry 2 demonstrate the deliverability of such plans
and prove the expected reduction of dose around the target.
Finally, the IDC has also been used as a framework whereby advanced,
analytical dose calculations can be developed and tested. Two such developments have been made as part of this work. The rst attempts to improve
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ABSTRACT
the lateral scattering model used in the primary dose calculation to better
predict the eects of density heterogeneities along the beam path, whilst
the second presents a new method of calculating the secondary particle dose
resulting from nuclear interactions in non-homogenous geometries.
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Zusammenfassung
Seit mehr als einem Jahrhundert wird ionisierende Strahlung in der Krebsbehandlung eingesetzt. Das Ziel der Forschung war dabei meist eine verbesserte
Fokussierung der applizierten Dosis auf den Tumor um Schäden an gesundem
Gewebe zu reduzieren. Mit diesen Fortschritten in der Bestrahlungstechnologie stiegen auch die Anforderungen an die Genauigkeit der Bestrahlung,
was immer zeitaufwändigeren Qualitätssicherungsmassnahmen nötig machte. Beispiele für solche Quality Assurance (QA) Messungen sind regelmässige
(tägliche, monatliche, jährliche) Maschinen QA und Messungen der Klinischen Bestrahlungsfelder für die Patientenbestrahlung.
Protonentherapie als Strahlentherapie mit geladenen Teilchen, insbesondere mit der Spot-Scanning Methode, bietet das Potential für hochgradig
konformierende Dosisverteilungen, bedingt aber besonderen Aufwand zur
Qualitätssicherung, was ein Nadelöhr bei der Patientenzahl oder bei der Adaptierung bestehender Pläne an Änderungen der Anatomie darstellt. Um eine
korrekte Applikation der Strahlenfelder sicherzustellen wird die Bestrahlung
durch die Maschine überwacht und Parameter wie die Position des Strahles und die applizierten Protonen mit Nominalwerten verglichen um im Falle
eines Fehlers die Bestrahlung sofort zu unterbrechen. Im ersten teil dieser Arbeit wurde ein Programm zur unabhängigen Berechnung der Strahlendosis
anhand unterschiedlicher Feld Denitionen und Strahl Charakterisierungen
entwickelt. Die Nützlichkeit eines solchen Programms bei der Inbetriebnahme neuer Bestrahlungsgeräte, bei der Qualitätssicherung und im klinischen
Alltag wird anhand von Beispielen aufgezeigt.
Bei der neuen Bestrahlungsanlage Gantry 2, auf der seit 2013 Patienten bestrahlt werden, besteht ungenutztes Potential für Weiterentwicklung
und Verbesserung der Protonenbestrahlung. Das unabhängige Dosisberechnungsprogramm wurde um einen Optimierungsalgorithmus und Algorithmen
zur Platzierung des Protonenstrahles erweitert mit dem Ziel die Fähigkeiten
des freien, zweidimensionalen Scannens auf Gantry 2 besser zu nutzen. Eine
Methode, in der die Strahl-Spots entlang der Oberächenkonturen des Zielvolumens (Tumors) platziert werden, mit dem Ziel unnötige Dosis ausserhalb
des Tumors zu reduzieren, wurde entwickelt und implementiert. Planungsstudien und erste Messungen zeigen die Machbarkeit dieses neuartigen Ansatzes
und beweisen die erwartete Dosisreduktion.
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ZUSAMMENFASSUNG
Bei klinischen Qualitätssicherungsmessungen sind die gemessenen Dosen
regelmässig einige Prozentpunkte tiefer als die vom Planungssystem vorhergesagten. Die beobachteten Dosiswerte lassen sich nicht durch Ungenauigkeiten in der Dosisapplikation erklären und wurden traditionellerweise auf eine
ungenügende Modellierung der in Patienten und Strahlführung entstehenden sekundären Protonen zurückgeführt. Im dritten Teil der Arbeit werden
verbesserte Dosisberechnungsalgorithmen mit dem Ziel einer genaueren Beschreibung der Sekundärprotonen sowie der Streuung des Primärstrahls in
heterogenen Geometrien beschrieben. Das unabhängige Dosisberechnungsprogramm diente hierbei als ein sicheres Framework in dem neue Algorithmen unabhängig vom klinischen Planungssystem entwickelt und getestet werden konnten.
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