Nuclear physics in proton therapy: new approaches for proton beam range verification using delayed gamma-rays

Abstract

In-vivo monitoring of the delivered dose is desirable in radiation therapy. Radionuclides generated during the proton irradiation can be used for imaging methods from nuclear medicine after the treatment session. In order to improve these techniques, this work focuses on three different aspects of nuclear physics from basic nuclear physics measurements to a clinical validation. The most relevant nuclear interaction is the production of C-11 from carbon as this nuclear interaction is used as a monitor reaction for the measurement of several other radionuclides. Furthermore, this is one of the relevant residuals produced from the tissue nuclei. As the data from the literature scatter by about 15%, a new reference cross section value of (68 ± 3) mb at 97 MeV is determined from the cross sections measured in different settings. In a second part, the activation of iodine during proton irradiation is investigated. Several radionuclides are produced from iodine which decay by the emission of positrons and can potentially be used for PET imaging subsequent to the fractional treatment. In the last step, the activation of titanium implants is investigated. A benchmarking test including MC simulations is performed which study reveals the limited applicability of PET imaging with implants for field verification in proton therapy.

Die Überwachung der applizierten Dosisverteilung in der Strahlentherapie kann zur Optimierung der Therapie genutzt werden. Während der Protonenbestrahlung erzeugte Radionuklide können nach der Behandlungssitzung zur Bildgebung mit Methoden aus der Nuklearmedizin verwendet werden. Die vorliegende Arbeit untersucht drei verschiedene kernphysikalische Aspekte von der Untersuchung von Kernreaktionen hin zu einer klinischen Validierung, um diese Techniken zu verbessern. Zunächst wird die Produktion von C-11 aus Kohlenstoff untersucht, da diese Reaktion in der Kernphysik als Monitorreaktion verwendet wird. Die Literaturwerte der Wirkungsquerschnitte variieren um bis zu 15%. Außerdem stellt diese Reaktion eine wichtige Produktion von Radionukliden in menschlichem Gewebe dar. Als neuer Referenzwert kann (68 ± 3) mb bei einer Energie von 97 MeV bestimmt werden. In einem weiteren Schritt wird die Aktivierung von Iod untersucht. Da viele Positronenemitter bei der Bestrahlung von Iod produziert werden, kann die Aktivierung von Iod zur PET Bildgebung verwendet werden. Als letztes wird die Aktivierung von Titanimplantaten betrachtet. Dazu wird dazu ein Sensitivitätstest inklusive der Aktivitätsvorhersage durchgeführt, der die beschränkten Einsatzmöglichkeiten der PET Bildgebung zur Feldverifikation in der Protonentherapie aufzeigt.