Masteroppgave - A Predictive Model for Biological Range Shift in Proton Therapy
Master thesis

View/ Open
Date
2019Metadata
Show full item recordCollections
- Institutt for fysikk [2567]
Abstract
Protonterapi er en metode innenfor str˚alebehandling for kreft som har blitt tatt i bruk i mangeland over hele verden i løpet av de siste ti˚arene. Et argument for ˚a bruke protonterapi er atprotonene har en bedre dybde-dose fordeling enn fotoner i vev, som fører til redusert dose til frisktvev, spesielt vev lokalisert bak svulsten. Norge har n˚a satt igang planleggingen av to protonsentrei Bergen og Oslo, som skal støtte det økende behovet for str˚alebehandling med protoner.Den biologiske effekten protonstr˚aling har p˚a cellene i kroppen er annerledes enn fotoneneseffekt. Protonene gjør mer skade for samme avgitte fysiske dose p˚a grunn av en økt Lineær EnergiOverføring (LET). Denne økningen i biologisk effektivitet er kvantifisert i den Relative BiologiskeEffektiviteten (RBE). Klinisk blir en konstant RBE lik 1.1 (RBE1.1) brukt, men flere studier tyderp˚a at RBE øker med dybde p˚a grunn av at LET øker med dybde[25, 31, 33, 36]. Dette fører tilen potensiell underestimering av de biologiske konsekvensene av str˚alingen ved bruk av RBE1.1,spesielt i den dypeste delen av str˚alingsfeltet, mot slutten av partiklenes rekkevidde. Denne økningen i avgitt dose p˚a grunn av en variabel RBE forlenger rekkevidden (range extension/shift) tildosefordelingen. Denne forlengelsen av rekkevidden kan føre til uforventede skader til friskt vev ogutsatte organer. Modellering av forlengelsen av rekkevidden er derfor viktig, og det var hensiktenmed dette prosjektet.Monte Carlo simuleringer av ”Pristine Bragg Peaks” (PBPs) og ”Spread Out Bragg Peaks”(SOBPs) ved flere dybder med flere doseniv˚aer i en vanntank ble utført. Dosefordelingen forRBE1.1 og Rørviks RBE modell [36] ble beregnet. Et dataset av den biologiske forlengelsen avrekkevidden ble s˚a hentet ut fra disse dosefordelingene, og forutseende modeller for forlengelsen avrekkevidden i protonterapi ble s˚a laget ved bruk av lineær regresjon p˚a datasettet. Modellene bles˚a testet p˚a to dosefordelinger; en SOBP i en vanntank, og en behandlingsplan for prostatakreft.Resultatene viser at modellene bassert p˚a PBPs under-estimerer forlengelsen av rekkeviddenmed 50% − 75%, sammenlignet med den m˚alte forlengelsen for de to dosefordelingene. Modellene bassert p˚a SOBPs presterer bedre, men underestimerer med omtrent 30% for begge dosefordelingene. Ettersom de fleste behandlingsplaner i protonterapi best˚ar av protonstr˚aler med flereforskjellige energier, er mest sannsynlig modellene bassert p˚a PBPs ikke i stand til ˚a gjenskape denhøye RBE fordelingen i behandlingsplaner. Den lave RBE-en som PBP-metoden produserer førertil under-estimeringen av forlengelsen av rekkevidden. Underestimeringen i modellene bassert p˚aSOBPs kan være for˚arsaket av formen og bredden til SOBP-ene.I dette prosjektet ble det laget forutseende modeller for biologisk forlengelse av str˚alens rekkviddei protonterapi. Modellene bassert p˚a SOBPs viste seg˚a være bedre enn modellene bassert p˚a PBPs,selv om alle modellene systematisk underestimerte forlengelsen av rekkevidden. ˚Arsaker til underestimeringene kan være formen og bredden til SOBP-ene, og videre prosjekter p˚a temaet burdederfor undersøke hvilke konsekvenser dette har for RBE-fordelingen og dermed ogs˚a forlengelsenav rekkevidden i protonterapi. Proton therapy is a radiation treatment method used in many countries around the world, andNorway is now preparing to build two proton therapy centers. Today, mostly photon therapy isused for radiation treatment in Norway. The argument for using protons is their superior sparingability, especially of the healthy tissue located behind the tumor, and the building of two protoncenters in Norway has begun, as of May 2019.The biological effects on cells due to proton irradiation are different than for photons. Theprotons cause more damage for the same deposited physical dose, because of their increased LinearEnergy Transfer (LET). This increase in biological effectiveness is quantified by the Relative Biological Effectiveness (RBE). Clinically a constant RBE factor of 1.1 (RBE1.1) is used, but multiplestudies on RBE indicate that it increases with depth due to the increase in LET with depth[25,31, 33, 36]. This leads to a potential underestimation of the biological effects when using RBE1.1,especially in the distal part of the treatment fields, towards the end of the particles’ range. Theincrease in dose due to variable RBE increases the depth of the distal 80% dose fall-off, which isoften used to quantify the beam range. This range shift between the RBE1.1 and the variable RBEmodels may cause unexpected radiation damage to healthy tissue and organs at risk. Modellingor predicting the biological range shift in different scenarios is therefore of importance, and the itwas the goal for this project.Monte Carlo simulations of Pristine Bragg Peaks (PBPs) and Spread Out Bragg Peaks (SOBPs)of multiple depths and dose levels in a water tank were performed. RBE-weighted depth-dosedistributions were then calculated along the beam axis for the RBE1.1 and the RBE model byRørvik et al. [36] (ROR) in multiple types of tissue. The biological range shift, between theRBE1.1 and the ROR model, of the 80% iso-dose curves were then calculated. From this datasetof range shifts, predictive models were made, and tested in two scenarios; a SOBP in a water tank,and a prostate cancer treatment plan.The results show that the predictive models based on the PBPs greatly underestimates thebiological range shifts by 50%−75% compared to the measured range shifts from simulations of thetwo scenarios. The predictive models based on the SOBPs perform better, but still underestimatesby about 30% compared to the measured range shifts in the two scenarios. As most patient plansconsists of proton beams of multiple energies, the PBPs method most likely fails to reproduce the(higher) RBE distribution of the SOBPs in patient plans. The low RBE leads to a low range shiftprediction. The underestimation in the predictive models based on the SOBPs may be caused bythe width of the SOBPs in the basis, and the shape of the distal part of the SOBPs.In this project, we have produced predictive models for the biological range shifts in protontherapy, with the models based on SOBPs in water being superior to PBPs in water. All thepredictive models underestimates, and the causes may be the shape and width of the SOBPsforming the basis. We therefore suggest that further studies include analysis of how the shap