[论文解读] 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 17

一句话总结

本研究首次通过在1 T横向磁场中使用胶片剂量测量法，对治疗性质子束在磁场作用下发生质子束偏转的现象进行了实验验证。80–180 MeV质子束的实测侧向偏移量为1–10 mm，与Geant4模拟结果在1 mm以内一致，证实了磁场引起的剂量畸变既可测量，也可准确预测，适用于MR引导质子治疗系统。

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.

研究动机与目标

• 对预测磁场引起质子治疗中剂量畸变的计算模型进行实验验证。
• 使用组织等效体模，在临床相关的1 T磁场中测量质子束的侧向偏移和射程缩短。
• 评估基于Geant4的蒙特卡罗模拟对不同能量质子束的侧向偏移和射程缩短预测的准确性。
• 建立在强磁场存在下实现精确剂量测量的可行性，以支持MRI与质子治疗的安全整合。
• 量化在磁场中测量和模拟质子束偏移与射程缩短的不确定性，以支持MR集成质子治疗的临床实施。

提出的方法

• 在存在1 T横向磁场的条件下，对水等效体模进行质子笔形束（80–180 MeV）照射。
• 采用EBT3胶片剂量测量法，以亚毫米级空间分辨率测量二维剂量分布。
• 通过在侧向剂量剖面中对侧向束流剖面进行高斯拟合，提取束流轨迹和Bragg峰位置。
• 通过比较有无磁场时Bragg峰位置的差异，计算侧向偏移和射程缩短。
• 使用Geant4蒙特卡罗模拟，每组模拟采用2.048×10^7个初级粒子，以确保统计不确定性小于0.1 mm。
• 通过系统不确定性和统计不确定性贡献的平方和，量化不确定性，包括束流能量、磁场分布图和体模密度。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在临床相关的1 T磁场中，以亚毫米精度实验测量磁场引起的质子束偏移？
• RQ2 Geant4蒙特卡罗模拟在1 T横向磁场存在下，对质子束侧向偏移和射程缩短的预测精度如何？
• RQ3 在磁场中测量和模拟质子束偏移与射程缩短时，主要的不确定性来源是什么？
• RQ4 在80–180 MeV的质子束能量范围内，实测的束流偏移与模拟预测结果在多大程度上一致？
• RQ5 质子束在磁场作用下引起的剂量畸变是否可预测且可测量，其精度是否足以支持MR引导质子治疗的临床应用？

主要发现

• 侧向束流偏移范围为1.0 mm（80 MeV）至10.1 mm（180 MeV），实测值分别为1.0±0.4 mm和10.1±0.5 mm。
• 模拟偏移值（80 MeV时为1.0±0.1 mm，180 MeV时为9.3±0.3 mm）在所有能量下均与实测值相差小于1 mm。
• 射程缩短极小，实测值范围为-0.5 mm（100 MeV）至+0.4 mm（180 MeV），模拟值在±0.3 mm以内。
• 最大的不确定性来源是磁场分布图（180 MeV时达0.2 mm），对偏移不确定性贡献约2%。
• 系统性不确定性在偏移方向低于0.3 mm，在射程缩短方向低于0.2 mm，统计不确定性小于0.1 mm。
• 模拟与实测结果在1 mm以内的一致性，验证了基于Geant4的模型在MR集成质子治疗中的预测能力。