End-to-end range prediction for heavier ion radiation therapy based on Monte Carlo simulations

Abstract

The presence of range uncertainties in charged particle therapy with light ions (CPT) requires the employment of safety margins during treatment planning. These affect treatment quality, not allowing to fully exploit the dosimetric potential of CPT. CPT is characterized by an escalation of the dose deposition towards the end of the range of the primary particles followed by a steep decrease to a low-dose tail (Bragg Peak). The dimension of the safety margins can be reduced by adopting novel methods to verify the primary particle ranges in patients. Non-invasive in vivo monitoring can be performed by detecting secondary radiation emitted from the patient after nuclear interactions of the beam with tissue. Among secondary radiation, the gamma de-excitation of nuclei has the favorable properties of an instantaneous emission and a discrete energy spectrum, which allows performing range control through prompt gamma spectroscopy (PGS). Recent studies demonstrated the capabilities of PGS for online range verification for proton beams. Along with the experimental developments, a critical step towards the application of PGS for range control during patient treatments is the implementation of the prompt gamma generation in a treatment planning system. The comparison of the experimental data acquired during the treatment to the predicted spectral features is the fundamental step to achieve absolute range measurements in vivo. The project aimed to obtain a fully integrated method to perform end-to-end range predictions in anthropomorphic phantoms. In the first stage, a Monte Carlo simulation was conducted to obtain the values of the cross-section for 19 prompt gamma-ray lines from proton-nuclear interactions with 16O and 12C. The central part of the project included the implementation of the cross-sections in the research treatment planning system matRad.

La presencia de incertidumbres de rango en la terapia de partı́culas cargadas con iones ligeros (CPT) requiere el empleo de márgenes de seguridad durante la planificación del tratamiento. Estos afectan la calidad del tratamiento, no permitiendo aprovechar al máximo el potencial dosimétrico de la CPT. La CPT se caracteriza por una escalada de la deposición de la dosis hacia el final del rango de las partı́culas primarias seguida de una fuerte disminución a una cola de dosis baja (pico de Bragg). La dimensión de los márgenes de seguridad se puede reducir mediante la adopción de métodos novedosos para verificar los rangos de partı́culas primarias en los pacientes. La monitorización in vivo no invasiva se puede realizar detectando la radiación secundaria emitida por el paciente después de las interacciones nucleares del haz con el tejido. Entre las radiaciones secundarias, la desexcitación gamma de núcleos tiene las propiedades favorables de una emisión instantánea y un espectro de energı́a discreto, lo que permite realizar un control de rango mediante espectroscopia gamma rápida (PGS). Estudios recientes demostraron las capacidades de PGS para la verificación del rango en lı́nea para haces de protones. Junto con los desarrollos experimentales, un paso crı́tico hacia la aplicación de PGS para el control de rango durante los tratamientos del paciente es la implementación de la generación rápida de gamma en un sistema de planificación del tratamiento. La comparación de los datos experimentales adquiridos durante el tratamiento con las caracterı́sticas espectrales predichas es el paso fundamental para lograr mediciones de rango absoluto in vivo. El proyecto tenı́a como objetivo obtener un método totalmente integrado para realizar predicciones de rango de extremo a extremo en fantasmas antropomórficos. En la primera etapa, se realizó una simulación de Monte Carlo para obtener los valores de la sección transversal de 19 lı́neas de rayos gamma rápidas de interacciones protón-nuclear con 16 O y 12 C. La parte central del proyecto incluyó la implementación de las secciones transversales en el sistema de planificación de tratamientos matRad. (Texto tomado de la fuente).