INDEPENDENT DOSE CALCULATIONS FOR QUALITY ASSURANCE AND TREATMENT PLANNING IN PENCIL BEAM SCANNED PROTON THERAPY

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1 DISS. ETH NO INDEPENDENT DOSE CALCULATIONS FOR QUALITY ASSURANCE AND TREATMENT PLANNING IN PENCIL BEAM SCANNED PROTON THERAPY A thesis submitted to attain the degree of DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH (Dr. sc. ETH Zurich) presented by GABRIEL JONAS MEIER MSc ETH in Physics born on citizen of Hemmiken, BL accepted on the recommendation of Prof. Dr. Antony John Lomax Prof. Dr. Klaus Kirch Prof. Dr. Oliver Jäkel 2015

2 Abstract For more than a century, ionizing radiation has been used to treat cancer. Most advances in research have been related to increasing dose conformation to the tumor thus reducing damage to healthy tissue. These advances increased the accuracy requirements for irradiation and led to increasingly time-consuming quality assurance procedures such as regular (daily, monthly, yearly) machine quality assurance (QA), as well as patient (plan) specic QA. Proton therapy (especially pencil beam scanned proton therapy) as a form of highly conformal radiation therapy is no exception to this, and the requirements of a large number of dose measurements represents a bottleneck for adapting delivery plans to changing anatomy as well as increasing patient numbers. To assure correct delivery, treatment delivery is monitored by the machine and compared to nominal values, allowing for a quick interruption of dose administration in case of detected discrepancies. The rst part of this work is dedicated to the development and implementation of an independent dose calculation (IDC) system, to calculate three dimensional dose distributions for various eld and beam characterizations, geometries and dose algorithms. This allows for independent 3D dose calculations to be performed at dierent stages in the treatment process, thus serving as a tool for virtual verications. The use of such a tool for commissioning, quality assurance and clinical routine is then presented by means of a number of examples. To better utilize the capabilities of Gantry 2, the new treatment gantry at the Paul Scherrer Institut (PSI), the aforementioned tool was extended by spot placement and optimization algorithms, turning it into a basic planning tool. By using an approach referred to as contour scanning, i.e. placing beams along the contours of the tumor instead of on a regular grid, the possibility of further improving dose conformation is explored. Plan comparison show the potential of improving dose conformation with little to no reduction of dose coverage and homogeneity. Proof of concept measurements performed on Gantry 2 demonstrate the deliverability of such plans and prove the expected reduction of dose around the target. Finally, the IDC has also been used as a framework whereby advanced, analytical dose calculations can be developed and tested. Two such developments have been made as part of this work. The rst attempts to improve ix

3 ABSTRACT the lateral scattering model used in the primary dose calculation to better predict the eects of density heterogeneities along the beam path, whilst the second presents a new method of calculating the secondary particle dose resulting from nuclear interactions in non-homogenous geometries. x

4 Zusammenfassung Seit mehr als einem Jahrhundert wird ionisierende Strahlung in der Krebsbehandlung eingesetzt. Das Ziel der Forschung war dabei meist eine verbesserte Fokussierung der applizierten Dosis auf den Tumor um Schäden an gesundem Gewebe zu reduzieren. Mit diesen Fortschritten in der Bestrahlungstechnologie stiegen auch die Anforderungen an die Genauigkeit der Bestrahlung, was immer zeitaufwändigeren Qualitätssicherungsmassnahmen nötig machte. Beispiele für solche Quality Assurance (QA) Messungen sind regelmässige (tägliche, monatliche, jährliche) Maschinen QA und Messungen der Klinischen Bestrahlungsfelder für die Patientenbestrahlung. Protonentherapie als Strahlentherapie mit geladenen Teilchen, insbesondere mit der Spot-Scanning Methode, bietet das Potential für hochgradig konformierende Dosisverteilungen, bedingt aber besonderen Aufwand zur Qualitätssicherung, was ein Nadelöhr bei der Patientenzahl oder bei der Adaptierung bestehender Pläne an Änderungen der Anatomie darstellt. Um eine korrekte Applikation der Strahlenfelder sicherzustellen wird die Bestrahlung durch die Maschine überwacht und Parameter wie die Position des Strahles und die applizierten Protonen mit Nominalwerten verglichen um im Falle eines Fehlers die Bestrahlung sofort zu unterbrechen. Im ersten teil dieser Arbeit wurde ein Programm zur unabhängigen Berechnung der Strahlendosis anhand unterschiedlicher Feld Denitionen und Strahl Charakterisierungen entwickelt. Die Nützlichkeit eines solchen Programms bei der Inbetriebnahme neuer Bestrahlungsgeräte, bei der Qualitätssicherung und im klinischen Alltag wird anhand von Beispielen aufgezeigt. Bei der neuen Bestrahlungsanlage Gantry 2, auf der seit 2013 Patienten bestrahlt werden, besteht ungenutztes Potential für Weiterentwicklung und Verbesserung der Protonenbestrahlung. Das unabhängige Dosisberechnungsprogramm wurde um einen Optimierungsalgorithmus und Algorithmen zur Platzierung des Protonenstrahles erweitert mit dem Ziel die Fähigkeiten des freien, zweidimensionalen Scannens auf Gantry 2 besser zu nutzen. Eine Methode, in der die Strahl-Spots entlang der Oberächenkonturen des Zielvolumens (Tumors) platziert werden, mit dem Ziel unnötige Dosis ausserhalb des Tumors zu reduzieren, wurde entwickelt und implementiert. Planungsstudien und erste Messungen zeigen die Machbarkeit dieses neuartigen Ansatzes und beweisen die erwartete Dosisreduktion. xi

5 ZUSAMMENFASSUNG Bei klinischen Qualitätssicherungsmessungen sind die gemessenen Dosen regelmässig einige Prozentpunkte tiefer als die vom Planungssystem vorhergesagten. Die beobachteten Dosiswerte lassen sich nicht durch Ungenauigkeiten in der Dosisapplikation erklären und wurden traditionellerweise auf eine ungenügende Modellierung der in Patienten und Strahlführung entstehenden sekundären Protonen zurückgeführt. Im dritten Teil der Arbeit werden verbesserte Dosisberechnungsalgorithmen mit dem Ziel einer genaueren Beschreibung der Sekundärprotonen sowie der Streuung des Primärstrahls in heterogenen Geometrien beschrieben. Das unabhängige Dosisberechnungsprogramm diente hierbei als ein sicheres Framework in dem neue Algorithmen unabhängig vom klinischen Planungssystem entwickelt und getestet werden konnten. xii