Investigation on Development of a Primary Standard for Scanned Proton Radiation

• Forschungsstelle: METAS
• Projektnummer: 5155.09.FP.073
• Projekttitel Englisch: Investigation on Development of a Primary Standard for Scanned Proton Radiation

Schlüsselwörter (Deutsch)

Protonentherapie, spot-scanning, Dosimetrie, Kalorimeter, Wasserkalorimetrie, Primärnormal

Schlüsselwörter (Englisch)

Proton therapy, spot-scanning, dosimetry, calorimeter, water calorimetry, primary standard

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Protonen werden wegen ihrer spezifischen Art der Dosis Deposition in der Strahlentherapie zur Behandlung von Tumoren eingesetzt: eine relative kleine Dosis wird beim Körpereintritt deponiert, eine hohe Dosis in der Tiefe, mit einem darauf folgenden scharfen Abfall der Deposition innerhalb einiger Millimeter. Bei einer Protonen Energie von 170 MeV wird die maximale Dosis in einer Tiefe von bei 20 cm deponiert. Die Protonentherapie eignet sich deshalb zur Behandlung tiefliegender Tumoren und, wegen der höheren geometrischen Präzision der Dosis Deposition, für die Behandlung von Kindern, wo eine Schonung des gesunden Gewebes von hoher Wichtigkeit ist. Weltweit werden heute in 29 Zentren Protonen zur Behandlung von Tumoren eingesetzt, und weitere 40 Bestrahlungseinheiten sollen in den nächsten Jahren in Betrieb genommen werden.

Eine genaue Bestimmung der absorbierten Dosis ist eine Voraussetzung jeder Art von Strahlentherapie. Empfohlen werden eine relative Genauigkeit von 3 Prozent und eine Reproduzierbarkeit von 2 Prozent. Für den Routine Einsatz in der Strahlentherapie werden Ionisationskammern verwendet. Diese weisen eine hohe Stabilität aus, sind relative kostengünstig und einfach zu verwenden. Hingegen können Ionisationskammern nicht die absolute Dosis bestimmen und werden deshalb unter Referenzbedingungen mit einem Primärnormal kalibriert.

Gemäss den Empfehlungen der IAEA sollen die für die Protonentherapie eingesetzten Ionisationskammern mit Co-60 Strahlen und theoretisch bestimmter Korrekturfaktoren kalibriert werden (IAEA TRS-398). Die ICRU (International Commission on Radiation Units and Measurements) empfiehlt in ihrem Report Nr.78 "Prescribing, Recording, and Reporting Proton-Beam Therapy" eine experimentelle Verifikation dieser Korrekturfaktoren mit kalorimetrischen Methoden durch Nationale Referenzlaboratorien. Da die Referenzgrösse in der Strahlentherapie die absorbierte Dosis in Wasser ist (Einheit Gy=J/kg) eignet sich ein Wasserkalorimeter speziell als Referenznormal.

Erste Messungen mit dem METAS Wasserkalorimeter am Protonentherapie Strahl des Paul Scherrer Instituts im Dezember 2006 (PSI-2006) und im August 2008 am GANTRY2 des PSI zeigten, dass Wasserkalorimeter bei gescannten Protonen als Referenznormal für die absorbierte Dosis in Wasser eingesetzt werden kann.

Kurzbeschreibung (Englisch)

Protons are used in radiation treatment of tumors owing to their specific manner of dose deposition: a relatively small dose is deposited at the surface entrace of the patient, a larger dose in the depth, followed by a steep decrease of dose deposition in a range of a few millimeters. At a proton energy of 170 MeV the maximal dose is deposited at a depth of 20 cm. Proton therapy is therefore suitable for the treatment of deep lying tumors and, because of the geometrically increased precision of dose distribution, for the treatment of children, where minimizing the exposition of healthy tissue and organs is of vital importance. There exist worldwide 29 proton therapy centers, and further 40 therapy units will be operational in the next few years.

A precise determination of the absorbed dose is a prerequisite in any type of radiation therapy. A relative precision of 3 percent and reproducibility of 2 percent is recommended. In clinical practice of radiation therapy, ionizing chambers are used owing to their high stability, cost effectiveness and ease of use. However, ionizing chambers cannot determine the dose in absolute terms and therefore have to be calibrated with a primary normal under reference conditions.

According to the recommendations of the IAEA, the ionizing chambers used for proton therapy should be calibrated with Co-60 irradiation together with theoretically determined correction factors (IAEA-TRS-398). Die ICRU (International Commission on Radiation Units and Measurements) recommends in their Report Nr.78 "Prescribing, Recording, and Reporting Proton-Beam Therapy" an experimental verification of those correction factors with calorimetric methods by the national metrological institutes. As the reference value in radiation therapy is absorbed dose to water (unity Gy=J/kg), water calorimetry is especially suited as a primary normal.

First measurements with the METAS water calorimeter at the proton therapy beam at the Paul Scherrer Institut in December 2006 (PSI-2006) and in August 2008 at the CANTRY2 of PSI demonstrated that the water calorimeter can be used as a primary normal also for scanned proton beams.

Projektziele (Deutsch)

Das Ziel ist die experimentelle Bestimmung der in der IAEA TRS-398 empfohlenen Korrekturfaktoren k_Q von Co-60  kalibrierten Ionisationskammern für Protonen.

Projektziele (Englisch)

The goal is the experimental determination of the IAEA TRS-398 recommended correction factors k_Q of Co-60 calibrated ionizing chambers for protons.

Abstract (Deutsch)

Das Ziel des Projektes war die direkte Darstellung der Wasserenergiedosis für gescannte Protonenstrahlung durch ein Wasserkalorimeter.

Protonentherapie ist ein zukunftsträchtiges Gebiet der Strahlentherapie. Dieses Projekt ist ein Beitrag zum Erhalt und Ausbau der Kompetenzen des METAS im Bereich der Dosimetrie hochenergetischer Strahlung für die Strahlentherapie.

Die Wasserenergiedosis wurde mit dem METAS Wasserkalorimeter am Gantry 2 der Therapieanlage gescannter Protonen des Paul Scherrer Instituts (PSI) gemessen. Die Resultate stimmen mit einer statistischen Unsicherheit von 5% mit der durch Co-60 Strahlung kalibrierten Ionisationskammern überein.

Die Genauigkeit der Wasserkalorimeter Messungen ist limitiert durch die geringe Statistik der Anzahl Messungen. Dies ist bedingt durch die Betriebsweise des Wasserkalorimeters welches lange Temperatur Stabilisierungszeiten zwischen den Messungen erfordert, und der beschränkten Verfügbarkeit von Strahlzeit am PSI.

Die Messungen wurden deshalb durch Vergleichsmessungen verschiedener Typen von Ionisationskammern erweitert, mit dem Ziel die interne Konsistenz der Protonen Korrekturfaktoren kQ gemäss IAEA TRS 398 Protokoll zu überprüfen. Die ersten Resultate zeigen eine Übereinstimmung von besser als 1%.

Abstract (Englisch)

The goal of the project was the direct realization of the absorbed dose to water for scanned protons with a water calorimeter.

Proton therapy is a promising area of radiation therapy. One intention of this project is to maintain and extend the capabilities of METAS in dosimetry of high energy radiation therapy.

The absorbed dose to water was measured with the METAS water calorimeter at the Gantry 2 of the scanned proton therapy facility of the Paul Scherrer Institute. The results are, within 5% statistical uncertainty, consistent with the values obtained with a Co-60 calibrated ionizing chamber.

The uncertainty of the water calorimeter measurements is limited by the low amount of statistics due to the small number of measurements. This is due to the fact that a water calorimeter requires long temperature stabilization times between the measurements and the limited amount of accessible beam time at PSI.

The measurements were hence extended by comparing different types of ionizing chambers in order to verify the internal consistency of the proton correction factors kQ according to the IAEA TRS 398 protocol. The preliminary results show an agreement of better than 1%.

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

METAS führt zusammen mit der Dosimetrie Gruppe des Pauls Scherrer Instituts (PSI) regelmässig Messungen verschiedener Dosimeter Typen an der PSI-Protonentherapieanlage durch. Ziel ist die Überprüfung der Absolutdosimetrie. Die praktikable Realisierung einer direkten Bestimmung der Wasserenergiedosis für Protonen und Schwerionen ist nach wie vor erforderlich. Zusammen mit Partnern anderer Nationaler Metrologieinstitute und dem PSI sollen praktikable Lösungen im Rahmen eines weiterführenden Projekts untersucht werden.

Umsetzung und Anwendungen (Englisch)

METAS is performing, together with the dosimetry group at the Paul Scherrer Institute (PSI), regularly dosimetry measurements of various dosimeter types at the PSI proton therapy facility. The goal is to check absolute dosimetry. A practical realization of a direct determination of the absorbed dose to water for protons and heavy ions is still required. METAS will investigate together with partners from other National Metrology Institutes and PSI practical solutions in the frame of a forthcoming project.

Publikationen / Ergebnisse (Englisch)

S. Gagnebin, D. Twerenbold, E. Pedroni, D. Meer, S. Zenklusen, and C. Bula. Experimental determination of the absorbed dose to water in a scanned proton beam using a water calorimeter and an ionization chamber, Nucl. Instr. and Meth. B, 268:524–528, 2010.

S. Gagnebin, Experimental determination of absorbed dose to water in a scanned proton beam using a water calorimeter and an ionization chamber, Diss. ETH No. 19139, Juni 2010

S. Gagnebin, D. Twerenbold, C. Bula, C. Hilbes, D. Meer, E. Pedroni, S. Zenklusen, Absolute dosimetry of scanned protons with a water calorimeter, PSI Scientific Report 2006, 2007, pp. 60–61.