[論文レビュー] Dosimetric evidence confirms computational model for magnetic field induced dose distortions of therapeutic proton beams

Sonja M. Schellhammer, Sebastian Gantz+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2017

Advanced Radiotherapy TechniquesPhysics and Astronomy参考文献 30被引用数 17

ひとこと要約

本研究は、1 Tの横磁界下で、治療用陽子ビームにおける磁界誘発陽子ビームの偏向を、フィルム剂量測定法を用いて初めて実験的に検証した。80–180 MeVのビームにおける測定された横方向の偏向量（1–10 mm）は、Geant4シミュレーションと1 mm以内で一致し、MRガイドド陽子線治療システムにおいて、磁界誘発の線量歪みが測定可能かつ正確に予測可能であることを確認した。

ABSTRACT

Given the sensitivity of proton therapy to anatomical variations, this cancer treatment modality is expected to benefit greatly from integration with magnetic resonance (MR) imaging. One of the obstacles hindering such an integration are strong magnetic field induced dose distortions. These have been predicted in simulation studies, but no experimental validation has been performed so far. Here we show the first measurement of planar distributions of dose deposited by therapeutic proton pencil beams traversing a one-Tesla transversal magnetic field while depositing energy in a tissue-like phantom using film dosimetry. The lateral beam deflection ranges from one millimeter to one centimeter for 80 to 180 MeV beams. Simulated and measured deflection agree within one millimeter for all studied energies. These results proof that the magnetic field induced proton beam deflection is both measurable and accurately predictable. This demonstrates the feasibility of accurate dose measurement and hence validates dose predictions for the framework of MR-integrated proton therapy.

研究の動機と目的

• 磁界誘発の線量歪みを予測する計算モデルの実験的検証を目的とする。
• 臨床的関連性のある1 Tの磁界下で、組織同等のアーチファクトを用いて横方向のビーム偏向とレンジ再収縮を測定することを目的とする。
• さまざまなエネルギーの陽子ビームについて、Geant4ベースのモンテカルロシミュレーションの実験データに対する正確さを評価することを目的とする。
• 強い磁界下でも正確な線量測定が可能であることを確立し、MRIと陽子線治療の安全な統合を可能にする。
• ビーム偏向およびレンジ再収縮の測定とシミュレーションにおける不確実性を定量化し、MR統合陽子線治療の臨床的実装を支援することを目的とする。

提案手法

• 80–180 MeVの陽子ペンシルビームを、1 Tの横磁界下で水同等のアーチファクトに照射した。
• サブミリメートルの空間分解能を有するEBT3フィルム線量測定法を用いて、2次元線量分布を測定した。
• 横方向線量プロファイルのガウスフィッティングにより、ビーム軌道およびブラッグピーク位置を抽出した。
• 磁界有りと無しの状態におけるブラッグピーク位置の比較により、横方向偏向およびレンジ再収縮を計算した。
• 統計的不確実性を0.1 mm未満に抑えるために、1回のシミュレーションあたり2.048×10^7個の一次粒子を用いたGeant4モンテカルロシミュレーションを実施した。
• ビームエネルギー、磁界マップ、アーチファクト密度を含む、系統的および統計的寄与の2乗和を用いて不確実性を定量化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 臨床的1 Tの磁界下で、サブミリメートルの精度で磁界誘発陽子ビーム偏向を実験的に測定できるか？
• RQ2 1 Tの横磁界下で、Geant4モンテカルロシミュレーションは陽子ビームの横方向偏向およびレンジ再収縮をどの程度正確に予測できるか？
• RQ3 磁界下でのビーム偏向およびレンジ再収縮の測定とシミュレーションにおける主な不確実性要因は何か？
• RQ4 80–180 MeVの範囲で、測定されたビーム偏向がシミュレーション予測とどの程度一致するか？
• RQ5 MRガイドド陽子線治療の臨床的実装に十分な精度で、磁界誘発線量歪みが予測可能かつ測定可能か？

主な発見

• 横方向ビーム偏向は80 MeVで1.0 mm（測定値1.0±0.4 mm）、180 MeVで10.1 mm（測定値10.1±0.5 mm）の範囲を示した。
• シミュレーションによる偏向量（80 MeVで1.0±0.1 mm、180 MeVで9.3±0.3 mm）は、全エネルギー範囲で測定値と1 mm以内で一致した。
• レンジ再収縮は最小限に抑えられ、測定値は100 MeVで-0.5 mm、180 MeVで+0.4 mmの範囲であり、シミュレーション値は±0.3 mm以内であった。
• 最大の不確実性要因は磁界マップ（180 MeVで最大0.2 mm）であり、偏向不確実性の約2％を占めた。
• 系統的不確実性は偏向で0.3 mm未満、レンジ再収縮で0.2 mm未満であり、統計的不確実性は0.1 mm未満であった。
• シミュレーションと測定値の1 mm以内の一致は、MR統合陽子線治療におけるGeant4ベースのモデルの予測能力を裏付けた。