Measurement of the stopping power of water in condensed phase for carbon ions in the energy range between 1 MeV and 5 MeV
Optics, Quantum Optics and Physics of Atoms, Molecules and Plasmas
Final Report Abstract
Die Strahlentherapie mit Ionen zeichnet sich durch eine hohe Trennschärfe der Dosisverteilung im Bereich des Tumors aus. Um diese Trennschärfe in vollem Umfang ausnutzen zu können, muss das Bremsvermögen bzw. die Reichweite der Ionen in Gewebe möglichst genau bekannt sein. Da die relative biologische Wirksamkeit ionisierender Strahlung entscheidend vom deren Linearen Energietransfer (LET) abhängt, sind die Bremsquerschnitte von Gewebe wichtig für die Bestimmung sowohl der biologischen Reichweite der Ionen als auch der biologisch effektiven Dosis, insbesondere am distalen Ende des Ionenstrahls. In diesem Zusammenhang spielt das Bremsvermögen von Wasser eine wichtige Rolle, da es mehr als 60% des menschlichen Gewebes ausmacht. Trotz der genannten Wichtigkeit wurden anderweitig bisher keine experimentellen Studien über den Bremsquerschnitt von Wasser für Kohlenstoffionen im Braggpeak-Bereich berichtet. Das Ziel dieses Projektes war daher die Messung dieses Bremsquerschnitts mittels der Inverted-Doppler-Shift-Attenuation-Methode. Diese Methode hat den Vorteil, dass sie im Gegensatz zu konventioneller Methode die Messung des Bremsvermögens für Ionen unabhängig von der Ausdehnung und vom Aggregatzustand des Mediums ermöglicht. Im Rahmen dieses Projektes wurden der experimentelle Aufbau und die Software für die Analyse der Messdaten zu einem hohen Grad verfeinert worden, sodass die Bestimmung des Bremsquerschnitts mit einer systematischen Unsicherheit deutlich kleiner als 5% möglich ist. Mit dem weiterentwickelten Messaufbau und der neuen Analysesoftware wurden die Experimente an der Beschleunigeranlage der Universität Köln durchgeführt und analysiert. Für kinetische Energien unterhalb des Maximums des Bremsquerschnitts stimmen die Messergebnisse dieses Projektes mit den in Errata und Addenda des ICRU-Berichtes 73 empfohlenen Daten innerhalb der experimentellen Unsicherheiten überein. Oberhalb des Maximums geben jedoch die im ICRU-Bericht 90 neu empfohlenen Werte die vorliegenden Resultate besser wieder. Ferner weisen die Ergebnisse dieses Projektes darauf hin, dass der I- Wert von Wasser 78 eV beträgt. Diese Erkenntnis ist von Bedeutung für die Therapieplanung mit Ionen. Für eine präzise Therapieplanung ist die Kenntnis der I-Werte nicht nur von Wasser, sondern auch von anderen Gewebearten erforderlich. Dazu sind bereits Voruntersuchungen bezüglich geeigneter Kernreaktionen durchgeführt worden. Eine Reaktion lieferte ermutigende Ergebnisse, sodass die Messung der I-Werte weiterer Gewebearten in einem Folgeantrag angestrebt wird.
Publications
-
"Precise measurement of the stopping power of water for carbon ions below 6 MeV", XXV World Congress on Medical Physics & Biomedical Engineering, Prag, 2018
T. Braunroth, W. Y. Baek, J. Rahm, H. Rabus, and H.-C. Hofsäss
-
"Development of a simulation toolkit for lifetime studies based on Doppler-shift methods", ENSAR2 Workshop: Geant4 in Nuclear Physics, Madrid, 2019
T. Braunroth, W. Y. Baek, and H. Rabus
-
"Measurement of the Stopping Power of Liquid Water for Carbon Ions Below 6 MeV", 3rd International Conference on Dosimetry and its Applications, Lissabon, 2019
T. Braunroth, W. Y. Baek, and H. Rabus
-
"Measurement of the Stopping Power of Liquid Water for Carbon Ions below 6 MeV", 58th Annual Conference of the Particle Therapy Co-operative Group, Manchester, 2019
T. Braunroth, W. Y. Baek, and H. Rabus
-
"Stopping power of water for carbon ions with energies in the Bragg peak region", Phys. Rev. E 102, 062418 (2020)
W. Y. Baek, T. Braunroth, L. de La Fuente Rosales, J. M. Rahm, and H. Rabus
