Project
Biofysische karakterisering van primaire en secundaire stralingsvelden bij protontherapie
De hoge dosisconformiteit en de betere ontlasting van normaal weefsel hebben protontherapie (PT) tot een doeltreffende behandeling van kanker gemaakt. Toch blijft de biofysische karakterisering van het stralingsveld op alle dosisniveaus een uitdaging. Het gebruik van een algemene RBE-waarde van 1,1 in de huidige klinische praktijk kan ontoereikend zijn vanwege de variatie met talrijke parameters, waaronder een sterke correlatie met de LET van het deeltje. Beide grootheden variëren over het hele behandelvolume met een aanzienlijke toename naar de distale rand toe, wat zorgwekkend is vanwege de aanwezigheid of nabijheid van OAR's in die gebieden. Een nauwkeurige berekening van de LET is noodzakelijk om de biologische resultaten te voorspellen en te verbeteren, maar het experimenteel meten van de LET is moeilijk en simulatieparameters kunnen de resultaten beïnvloeden, wat ook de klinische toepassing van op LET gebaseerde RBE-modellen belemmert.
Om de onzekerheden in het bereik en de potentieel hogere RBE aan de distale rand te beperken, wordt de laterale veldrand meestal gebruikt om aangrenzende OAR's te sparen. De aanzienlijke spotgrootte bij proton PBS in combinatie met verstrooiing resulteert echter in een groter lateraal penumbra in vergelijking met gecollimeerde brede divergerende stralen, met name op geringe diepte en bij grote luchtspleet. Studies hebben dosimetrische voordelen aangetoond door PBS te combineren met openingen, maar de biofysische effecten van deze configuratie worden niet goed begrepen; sommige studies suggereren een toename van de LET aan de laterale randen. Gezien het belang van het sparen van OAR's is een gedetailleerde biofysische karakterisering en vergelijking van gecollimeerde en niet-gecollimeerde velden in PBS van cruciaal belang. Bovendien blijft de karakterisering van het secundaire stralingsveld in PT een uitdaging vanwege de mengeling van deeltjes met een breed energiebereik en een belangrijke bijdrage van neutronen die gepaard gaan met een hoge RBE.
Deze uitdagingen werden in dit werk aangepakt door een combinatie van metingen met een Timepix-gebaseerde detector, MC-simulaties en biofysische modellen. Er werd een model ontwikkeld om de beperkingen van Timepix op het gebied van directionele detectie met hoge resolutie en LET-berekening te ondervangen. Het model kan worden gebruikt voor nauwkeurige incidenthoek- en LET-berekening van protonen over een volledig gezichtsveld met een compacte enkellaags Timepix-detector, gebaseerd op een gedetailleerde sporenanalyse van geregistreerde pixelclusters. Het model werd verder gekoppeld aan een methodologie voor het omrekenen van proton LETF van silicium naar water. Voortbouwend op dit werk werd ook een systematische aanpak gepresenteerd voor de berekening van de totale en de deeltjesspecifieke geabsorbeerde dosis en het dosisequivalent in water. Dit werk was het eerste dat de haalbaarheid aantoonde van het schatten van verschillende dosisgrootheden in een gemengd stralingsveld met behulp van een hybride sensor in single-event modus met voldoende nauwkeurigheid, gevalideerd met MC-simulaties en TLD-metingen. Deze methoden werden toegepast in verschillende protontherapietoepassingen.
Ten eerste hebben wij de haalbaarheid aangetoond van het gebruik van een compacte detector voor een nauwkeurige gerichte detectie en LET-schatting (gemiddelde waarden en verdelingen), waarvan bekend is dat zij een goede surrogaat zijn voor RBE. Ten tweede bleek uit een biofysische karakterisering en vergelijking van gecollimeerde en niet-gecolimeerde velden aan de hand van metingen en simulaties in combinatie met biofysische modellen dat de dosis, de LET en de inductie van DNA-schade bij gecollimeerde PBS-velden lager is dan bij niet-gecolimeerde velden. De grootste impact werd gevonden aan de laterale randen van het veld, tot enkele centimeters, en was meer uitgesproken bij lagere energieën. Ten derde werd een gedetailleerde analyse uitgevoerd van het secundaire stralingsveld in een antropomorf fantoom van 5 jaar dat een klinische PBS-behandeling kreeg voor een pediatrische hersentumor. Uit de resultaten bleek dat verschillende dosisgrootheden in gemengde stralingsvelden met goede nauwkeurigheid kunnen worden gemeten met een Timepix-detector, waardoor het mogelijk niet meer nodig is meerdere detectorsystemen te combineren of volledige MC-simulaties uit te voeren. De in dit werk gepresenteerde methoden en resultaten kunnen worden uitgebreid tot andere klinische indicaties en tot complexere scenario's waarbij de deeltjesspecifieke dosis- en LET-distributies kunnen variëren.
Protontherapie kan belangrijke voordelen bieden voor patiënten, vooral met PBS- en IMPT-technieken, maar er is verder onderzoek nodig om de klinische resultaten te verbeteren. Op Timepix gebaseerde detectoren en de in dit werk ontwikkelde methoden zijn een waardevol instrument gebleken voor PT-toepassingen. Een gedetailleerde biofysische karakterisering van het stralingsveld bij verschillende dosisniveaus kan nieuwe perspectieven openen voor optimalisering van de behandeling en verbeterde stralingsbescherming, en mogelijk meer patiënten in staat stellen te profiteren van PT.