Towards PET range verification in proton therapy: new cross sections for improved accuracy

Abstract

Proton therapy is a form of radiotherapy that allows maximizing the deposited dose inside the tumour while reducing the dose in the healthy tissues, thanks to its superior depth-dose distribution when compared against conventional photon therapy. Uncertainties in the beam range, however, require considering additional safety margins to ensure the tumour coverage and the non-irradiation of surrounding tissues. In this context, a method to validate the range of the beam in-vivo should lead to better treatment designs, minimizing normal tissue complications and hence improving tumour control. Among the different options proposed for this, PET range verification has received a very significant attention in the last 15 years and has even been clinically tested. Correspondingly, there is a worldwide effort to make it feasible and reliable aiming at its eventual clinical implementation. PET range verification requires a comparison of the measured (with a PET scanner) and expected (from Monte Carlo simulations) β + activity distributions produced by the proton field in the patient’s body, which can be, depending on the half-life of the isotope involved, online (ms to seconds) or offline (minutes). The accuracy of the mentioned expected activity distribution is based, among others factors, on the accuracy of production cross sections resulting in β + emitters used as input in the Monte Carlo simulations, which are 11C with t1/2=20.36 min, 13N with t1/2=9.97 min, and 15O with t1/2=122 s, produced in C, N y O, 12N with t1/2=11.0 ms, produced in C, 38mK with t1/2=926 ms, produced in Ca and 29P with t1/2=4.14 s, produced in P. Unfortunately, the situation is such that experimental data are completely missing for some reactions of interest and there are sizable discrepancies between the data sets available in EXFOR. Therefore, both the IAEA nuclear data evaluators and the medical physics community have call for a significant improvement of these nuclear data in order to reduce the uncertainties in the estimation of the activity distributions to a level that allows detecting beam range variations within 1 mm. In this context, the work developed in this thesis consists on the determination of the cross sections up to 200 MeV of the reactions involved in PET range verification to improve the simulations of the expected activity distributions in the patient. The reactions of interest are 11 in total, producing either the long-lived isotopes via 12C(p,x)11C, 12C(p,x)13N, 14N(p,x)11C, 14N(p,x)13N, 14N(p,x)15O, 16O(p,x)11C, 16O(p,x)13N and 16O(p,x)15O, or the short-lived isotopes via 12C(p,x)12N, 40Ca(p,x)38mK and 31P(p,x)29P. In this manuscript, a description of the experiments, analyses and results is presented. The experiments have been performed at the National Center of Accelerators (CNA, Spain), the West German Proton Therapy Center (WPE, Germany) and the Heidelberg Ion-Beam Therapy Center (HIT, Germany), using three different detection systems (PET scanners, NaI and LaBr3 detectors). The data presented herein have been obtained either by the multi-foil activation technique combined with the measurement with a PET scanner or by single foil activation and conventional detectors. A wide variety of strategies have been implemented to validate and ensure the accuracy of the results. In order to assess the impact for PET range verification of these new cross sections, in some cases measured for the first time, they have been used to simulate the β + production and activity profiles (as a function of time) of each isotope in tissue-equivalent phantoms and compared with the ones calculated with the current evaluations. The results illustrate the importance of new data and the need of revised evaluations for a reliable implementation of PET range verification. This is specially relevant for some of the reactions producing long-lived isotopes, but it is of upmost importance for reactions producing the short-lived isotopes needed for online verification, as these are the first cross section data ever. Overall, the new cross sections data base is expected to have an impact on the eventual implementation of both offline and online PET range verification aiming at adaptive proton therapy treatments.

La prontoterapia es un tipo de radioterapia externa que se emplea para irradiar zonas tumorales, especialmente para tumores cercanos a órganos de riesgo y cánceres pediátricos. Dicha técnica presenta, como ventaja fundamental frente a la radioterapia convencional, una deposición de dosis más baja en los tejidos sanos adyacentes al tumor y una alta deposición de dosis justo al final del recorrido del haz, en el denominado pico de Bragg, permitiendo una excelente conformación de la dosis en el tumor y una reducción de la dosis en los tejidos sanos. A pesar de que esta técnica ya se aplica en decenas de clínicas en todo el mundo, uno de los puntos clave de la protonterapia reside en el control del rango del haz de protones y por tanto de la posición del pico de Bragg, para reducir los amplios márgenes de seguridad aplicados actualmente. Para ello, es necesaria la verificación del rango "in vivo" del haz de protones, que se puede realizar por ejemplo mediante la detección de radiación secundaria emitida desde el interior del cuerpo. En concreto, esta tesis doctoral está enfocada en la verificación de rango usando tomografía por emisión de positrones (PET). En esta técnica, la exactitud del tratamiento (en particular, la posición del pico de Bragg) es verificada mediante la medida con un escáner PET de la actividad β + inducida por la interacción del haz con el cuerpo del paciente. Dicha medida se puede realizar durante el tratamiento (verificación online), observando isótopos de vida media muy corta (∼ms-s), o justo después del tratamiento (verificación offline), observando isótopos de vida media larga (∼min). En ambos casos es necesario comparar la distribución de actividad medida con el escáner PET con una curva esperada, calculada mediante simulaciones Monte Carlo y cuya precisión depende de la exactitud de las secciones eficaces de producción de estos isótopos. En cuanto a estas, varios estudios han puesto de manifiesto su precisión más que limitada y han destacado la necesidad de nuevas medidas de las reacciones nucleares de interés, varias de ellas nunca antes estudiadas, en todo el rango de energía (hasta ∼200MeV). Es por ello que este trabajo tiene como objetivo fundamental medir las secciones eficaces de las distintas reacciones nucleares que tienen lugar en el cuerpo humano durante un tratamiento de protonterapia y que dan lugar a los emisores de positrones de interés. Estos son tanto de vida media larga (11C con t1/2=20.36 min, 13N con t1/2=9.97 min, y 15O con t1/2=122 s, producidos en C, N y O) como de vida media corta (12N con t1/2=11.0 ms, producido en C, 38mK con t1/2=926 ms, producido en Ca y 29P con t1/2=4.14 s, producido en P). Las medidas se han realizado en el Centro Nacional de Aceleradores (CNA), en Sevilla (España), en el West German Proton Therapy Center (WPE), en Essen (Alemania), y en el Heidelberg Ion-Beam Therapy Center (HIT), Heidelberg (Alemania). Esta memoria describe el procedimiento experimental seguido en cada caso, el análisis de los datos y las estrategias empleadas para validar los resultados. El fruto de esta tesis doctoral es un conjunto de secciones eficaces referentes a once reacciones nucleares: 12C(p,x)11C, 12C(p,x)13N, 14N(p,x)11C, 14N(p,x)13N, 14N(p,x)15O, 16O(p,x)11C, 16O(p,x)13N, 16O(p,x)15O, 12C(p,x)12N, 40Ca(p,x)38mK y 31P(p,x)29P, en todo el rango de energía de interés en protonterapia. Se ha estudiado además el impacto de estos nuevos datos en cálculos de verificación de rango mediante la comparación de curvas de actividad inducidas en materiales equivalentes al cuerpo humano, utilizando los datos de esta tesis y las evaluaciones actuales. Los resultados ilustran la importancia de los nuevos datos y la necesidad de actualizar las evaluaciones para una correcta y precisa implementación de la técnica de verificación del rango, especialmente para las reacciones más relevantes en carbono y oxígeno. Además, los datos de producción de isótopos de vida media corta, medidos por primera vez en este trabajo, son fundamentalespara comenzar a trabajar en la verificación online, que permita un tratamiento de protonterapia adaptativo en tiempo real.