On-line mapování sekundární radiace v průběhu hadronové terapie

Abstract

Hadronová terapie používá pro ozařovaní nádorové tkáně iontový svazek, což umožňuje velice přesné zacílení radiační dávky do objemu nádoru. Pro správný odhad dávky dodané do tkáně obklopující cílový objem, je třeba vzít v úvahu také radiační příspěvek sekundárního záření, které je generované primárními ionty. Hlavní fyzikální procesy, které se vyskytují při interakci těžkých částic s látkou nebo tkání jsou známé. Nicméně v reálné situaci jsou tyto procesy probíhající při ozařování velice složité, což komplikuje analytické výpočty účinku ozařovaní. Nástroje používané pro plánovaní terapie zahrnují zjednodušené modely a numerické aproximace. Z tohoto důvodu je důležité navrhnout experimentální metodu s vysokou přesností pro ověřování takových modelů v rámci fantomů nebo dokonce skutečných biologických vzorků. Pixelový detektor Timepix se zdá být téměř ideálním nástrojem pro přesnou charakterizaci neznámého radiačního pole a monitorování distribuce dávky. Umožňuje online vizualizaci stop částic, jejich energetických ztrát a směru letu. Tato disertační práce shrnuje mnou realizovaný výzkum a navrhuje metody určení spektrální a směrové charakteristiky neznámých radiačních polí vznikajících při hadronové terapii a také jeho složení. Výsledky zahrnují vyhodnocení radiačního pole vytvořeného interakcí primárního terapeutického svazku s malým PMMA terčíkem, měření čistoty primárního svazku a ověření zacílení terapeutického svazku za pomocí detekce sekundárního záření. Měření byla prováděna s pomocí protonového a uhlíkového terapeutického svazku na zařízení hadronové terapie (HIT) v Heidelbergu.

Hadron therapy uses ion beams for irradiation of cancerous tissue taking the advantage of highly localized dose deposition in the target tumor. For the correct estimation of the dose deposited in the tissue surrounding the target it is necessary to consider also the contribution of secondary radiation generated by primary ions. The main physical processes that occur in material or tissue irradiated by hadron beams are known. In real situations the biological processes involved are very complex making analytical computations impossible. The tools used for therapy planning incorporate simplified models and numerical approximations. An experimental method for high precision verification of such models within phantoms or even real biological samples is needed. The pixel detector Timepix appears to be almost ideal tool for precise characterization of the radiation field and monitoring of the dose distribution. It allows online high resolution visualization of particles tracks, their energy losses and directions. This dissertation gives review of the research and proposes methods for measurement of composition, spectral and directional characterization of the mixed-radiation fields in hadron therapy. Results include evaluation of the radiation field generated by interaction of the primary ion beam with small PMMA target, measurement of the purity of the primary ion beam and verification of targeting of therapeutic beam by tracking of the secondary radiation. Measurements were performed with a therapeutic proton and carbon beam at the Heidelberg Ion Beam Therapy Center (HIT).