Simulation prompter gamma-Emissionen während therapeutischer Protonenbestrahlung

Gamma-Emissionsspektrum bei ProtonenbestrahlungenFür die Konstruktion und Realisierung eines hier vorgeschlagenen Detektorsystems auf der Basis der Compton-Streuung werden detailierte Informationen über die räumliche Verteilung und die spektralen Eigenschaften der erwarteten gamma-Emissionen benötigt.  Auf Basis realistischer Protonenbestrahlungspläne für verschiedene klinische Fälle wurden Simulationen durchgeführt und die so gewonnenen Daten ausgewertet.


Methoden

Mit Hilfe des Programms XiO von Elekta CMS wurden mehrere klinisch relevante Bestrahlungspläne erstellt, unter anderem eine Gehirn-, Prostata-, Leber- und Lungenbestrahlung. Die Planung wurde in Zusammenarbeit mit dem Allgemeinen Krankenhaus der Stadt Wien (AKH Wien) durchgeführt. Der DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) Standard wurde als Datenformat festgelegt.

Die CT (computed tomography) Bilder der Patienten und die Bestrahlungsinformationen wurden in das C++ Monte-Carlo Framework  Geant4 importiert. Die Geometrieinformation dient dazu, den Patienten innerhalb der Simulation auf einem Voxelgitter nachzubauen und die Strahlparameter bestimmen die Konfiguration der Teilchenquelle in Geant4. Die Bearbeitung der  DICOM Dateien und die Analyse der Simulationsdaten werden mittels der Skriptsprache Python und den Paketen Matplotlib, SciPy und pydicom durchgeführt.

Für das berechnen der Simulationen wird der HZDR Cluster für Hochleistungsrechnen verwendet. Das ROOT Framework wird während der Laufzeit des Programms verwendet, um die Ereignisse wegzuschreiben.


Resultate

Um die Dosisberechnung der Simulation zu überprüfen, mussten zuerst die Dosisverteilungen, welche vom Bestrahlungsplanungssystem (TPS) erzeugt wurden, nachgerechnet werden. Die Berechnung der Dosis hängt stark von den Simulationsparametern ab. Besonders das gewählte Intervall der simulierten  Gewebedichten kann noch weiter angepasst werden um die Simulation zu verbessern. Jedoch wurden bereits mit den Standardeinstellungen gute Übereinstimmungen mit dem TPS erzielt.

Die während der Bestrahlung emittierten Photonen wurden detektiert und gespeichert. Die Simulation erlaubt eine schrittweise Zurückverfolgung aller registrierten Teilchen. Mit den ersten Simulationen, wurden nur die Energie und der Ursprungspunkt der Gamma-Emissionen ausgewertet.

Die kumulierte gamma-Ausbeute pro Bestrahlung in Kombination mit der Detektoreffektivität und Raumwinkelabdeckung ergaben, dass das vorgeschlagene Bildgebungsverfahren realisierbar erscheint. Aktuelle Simulationen zeigten, dass eine Korrelation zwischen gamma-Emissions- und  Dosisverteilung möglich ist. Das endgültige Ziel ist, eine quantitative Dosisbestimmung aus der  gamma-Emissionsverteilung zu berechnen, um den Behandlungserfolg mit Protonen und leichten Ionen weiter zu verbessern.