[논문 리뷰] Dosimetric evidence confirms computational model for magnetic field induced dose distortions of therapeutic proton beams

Sonja M. Schellhammer, Sebastian Gantz외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 01.

Advanced Radiotherapy TechniquesPhysics and Astronomy참고 문헌 30인용 수 17

한 줄 요약

이 연구는 1 T 횡방향 자기장에서 치료용 프로톤 비임의 프로톤 비임의 자기장 유도 편향을 필름 다이오드메트리로 처음으로 실험적으로 검증한다. 80–180 MeV 비임에서 측정된 횡방향 편향(1–10 mm)은 Geant4 시뮬레이션과 1 mm 이내에서 일치하여, 자기장 유도 복사선 손상이 측정 가능하고 정확하게 예측 가능하다는 것을 확인한다. MR 가이드드 프로톤 치료 시스템에 적합하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 자기장 유도 복사선 손상 예측을 위한 계산 모델의 실험적 검증을 위해.
• 임상적으로 관련 있는 1 T 자기장에서 조직 등가 필터를 사용하여 횡방향 비임 편향과 범위 재수축을 측정하기 위해.
• 다양한 에너지의 프로톤 비임에 대해 Geant4 기반 몬테카를로 시뮬레이션의 정확도를 실험 데이터와 평가하기 위해.
• 강력한 자기장이 존재하는 조건에서 정확한 복사선 측정의 가능성을 확립하여 MRI와 프로톤 치료의 안전한 통합을 가능하게 하기 위해.
• 임상적 구현을 지원하기 위해 비임 편향과 범위 재수축의 불확도를 정량화하기 위해.

제안 방법

• 80–180 MeV 프로톤 펜치 비임을 1 T 횡방향 자기장이 존재하는 수조 등가 필터에 조사하였다.
• 서브 밀리미터 공간 해상도를 갖춘 EBT3 필름 다이오드메트리로 2차원 복사선 분포를 측정하였다.
• 가우시안 피팅을 통해 횡방향 비임 프로파일에서 비임 경로와 브라그 피크 위치를 추출하였다.
• 자기장 유무에 따른 브라그 피크 위치 비교를 통해 횡방향 편향과 범위 재수축을 계산하였다.
• 통계적 불확도 <0.1 mm를 확보하기 위해 1회 시뮬레이션당 2.048×10^7개의 주요 입자를 사용한 Geant4 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하였다.
• 비행 에너지, 자기장 지도, 필터 밀도를 포함한 체계적 및 통계적 기여를 제곱합으로 불확도를 정량화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 임상적 1 T 자기장에서 서브 밀리미터 정확도로 자기장 유도 프로톤 비임 편향을 실험적으로 측정할 수 있는가?
• RQ2 Geant4 몬테카를로 시뮬레이션은 1 T 횡방향 자기장이 존재할 때 프로톤 비임의 횡방향 편향과 범위 재수축을 얼마나 잘 예측하는가?
• RQ3 자기장에서 비임 편향과 범위 재수축을 측정하고 시뮬레이션할 때 주요 불확도 원인은 무엇인가?
• RQ4 80–180 MeV 범위의 다양한 프로톤 비임 에너지에서 측정된 비임 편향이 시뮬레이션 예측과 얼마나 일치하는가?
• RQ5 프로톤 비임의 자기장 유도 복사선 손상은 임상적 구현을 위해 충분한 정밀도로 예측 가능하고 측정 가능한가?

주요 결과

• 횡방향 비임 편향은 80 MeV에서 1.0 mm에서 180 MeV에서 10.1 mm로 변동하였으며, 측정값은 각각 1.0±0.4 mm 및 10.1±0.5 mm였다.
• 시뮬레이션된 편향값(80 MeV에서 1.0±0.1 mm, 180 MeV에서 9.3±0.3 mm)은 모든 에너지에서 측정값과 1 mm 이내에서 일치하였다.
• 범위 재수축은 미미하였으며, 측정값은 100 MeV에서 -0.5 mm에서 180 MeV에서 +0.4 mm로 변동하였고, 시뮬레이션 값은 ±0.3 mm 이내였다.
• 가장 큰 불확도 원인은 자기장 지도였으며, 180 MeV에서 최대 0.2 mm로 편향 불확도의 약 2% 기여하였다.
• 체계적 불확도는 편향에 대해 0.3 mm 이하, 범위 재수축에 대해 0.2 mm 이하였고, 통계적 불확도는 0.1 mm 이하였으며,
• 시뮬레이션과 측정값 간 1 mm 이내의 일치는 Geant4 기반 모델의 MR 통합 프로톤 치료에 대한 예측 능력을 검증한다.