ORIGINALARBEIT
Assessment of secondary radiation and radiation protection in laser-driven proton therapyUntersuchung zur Sekundärstrahlung und zum Strahlenschutz bei der Strahlentherapie mit Laser-beschleunigten Protonen

https://doi.org/10.1016/j.zemedi.2014.09.002Get rights and content
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Abstract

This work is a feasibility study of a radiation treatment unit with laser-driven protons based on a state-of-the-art energy selection system employing four dipole magnets in a compact shielded beamline. The secondary radiation emitted from the beamline and its energy selection system and the resulting effective dose to the patient are assessed. Further, it is evaluated whether or not such a compact system could be operated in a conventional treatment vault for clinical linear accelerators under the constraint of not exceeding the effective dose limit of 1 mSv per year to the general public outside the treatment room. The Monte Carlo code Geant4 is employed to simulate the secondary radiation generated while irradiating a hypothetical tumor. The secondary radiation inevitably generated inside the patient is taken into account as well, serving as a lower limit. The results show that the secondary radiation emanating from the shielded compact therapy system would pose a serious secondary dose contamination to the patient. This is due to the broad energy spectrum and in particular the angular distribution of the laser-driven protons, which make the investigated beamline together with the employed energy selection system quite inefficient. The secondary radiation also cannot be sufficiently absorbed in a conventional linear accelerator treatment vault to enable a clinical operation. A promising result, however, is the fact that the secondary radiation generated in the patient alone could be very well shielded by a regular treatment vault, allowing the application of more than 100 fractions of 2 Gy per day with protons. It is thus theoretically possible to treat patients with protons in such treatment vaults. Nevertheless, the results show that there is a clear need for alternative more efficient energy selection solutions for laser-driven protons.

Zusammenfassung

Diese Arbeit ist eine Machbarkeitsstudie für ein Strahlentherapiesystem mit Laser-beschleunigten Protonen, das auf dem aktuell diskutierten Energieselektionssystem mit vier Dipolmagneten in einem kompakten, abgeschirmten Strahlführungssystem basiert. Die von der Strahlführung und dem Energieselektionssystem emittierte Sekundärstrahlung und die resultierende effektive Dosis des Patienten werden ausgewertet. Weiterhin wird untersucht, ob ein solches kompaktes System in einem konventionellen Bestrahlungsbunker für klinische Linearbeschleuniger betrieben werden könnte, ohne dass die effektive Dosis für die Öffentlichkeit außerhalb des Bestrahlungsraumes 1 mSv pro Jahr überschreitet. Der Monte-Carlo-Code Geant4 wurde verwendet, um die entstehende Sekundärstrahlung während der Bestrahlung eines hypothetischen Tumors zu simulieren. Die unausweichlich im Patienten selbst generierte Sekundärstrahlung wird ebenfalls berücksichtigt und dient als untere Grenze. Die Resultate zeigen, dass die Sekundärstrahlung, die das abgeschirmte kompakte Bestrahlungssystem verlässt, eine ernsthafte Belastung des Patienten mit Sekundärdosis darstellen würde. Die Gründe dafür sind das breite Energiespektrum und insbesondere die Winkelverteilung der Laser-beschleunigten Protonen, die das untersuchte Strahlführungssystem zusammen mit dem verwendeten Energieselektionssystem sehr ineffizient machen. Die Sekundärstrahlung kann auch von einem konventionellen Bestrahlungsbunker für Linearbeschleuniger nicht ausreichend abgeschirmt werden, um einen klinischen Betrieb zu ermöglichen. Ein vielversprechendes Resultat hingegen ist die Tatsache, dass die nur im Patienten erzeugte Sekundärstrahlung sehr wohl von einem normalen Bestrahlungsbunker abgeschirmt werden kann. Ein konventioneller Bestrahlungsraum würde es erlauben, über 100 Fraktionen zu je 2 Gy pro Tag mit Protonen zu applizieren. Es ist daher theoretisch möglich in solchen Bestrahlungsräumen Patienten mit Protonen zu behandeln. Allerdings zeigen die Resultate eindeutig, dass alternative, effizientere Ansätze zur Energieselektion von Laser-beschleunigten Protonen notwendig sind.

Keywords

Monte Carlo
laser-driven protons
proton therapy
secondary radiation

Schlüsselwörter

Monte Carlo
Laserbeschleunigung
Protonentherapie
Sekundärstrahlung

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