Dosisberechnung im Magnetfeld

39. DGMP Tagung 2008 in Oldenburg
Dosisberechnung im Magnetfeld
Pfaffenberger, Asja1; Oelfke, Uwe1
1Deutsches
Krebsforschungszentrum Heidelberg, Med. Physik in der Strahlentherapie
Einleitung
Verschiedene Modalitäten existieren zur bildgestützten Strahlentherapie. In Bezug auf Weichgewebekontrast
ist Magnetresonanztomographie (MRT) röntgenbasierten Verfahren überlegen. Einen weiteren Vorteil stellt die
Tatsache dar, dass bei MRT keine zusätzliche Dosis ionisierender Strahlung appliziert wird. Deswegen gibt es
Bestrebungen, diese Technik online, also während der Bestrahlung, verfügbar zu machen.
Verfügbarkeit einer MRT-Bildgebungseinheit während der Bestrahlung bringt die permanente Präsenz eines
Magnetfeldes im Bestrahlungsraum mit sich. Verschiedene Gruppen haben gezeigt, dass die Dosisdeposition im
bestrahlten Gewebe von diesem Feld beeinflusst wird, da die Sekundärelektronen durch die Lorentzkraft
abgelenkt werden [Raa08][Kir08]. Besonders an den Grenzflächen zu Hohlräumen im Körper wurden teilweise
große Abweichungen von konventionellen Dosisverteilungen beobachtet.
Zur Zeit stellen Monte-Carlo-Methoden die einzige Möglichkeit zur Dosisberechnung bei Vorhandensein eines
Magnetfeldes dar. Modellbasierte Verfahren, die beispielsweise Dosiskerne verwenden, wurden bisher nicht
entwickelt. Der potentielle Vorteil dieser Methoden wäre, auf Grund geringerer Rechenzeit Online-Anpassungen
von Bestrahlungsplänen vorzunehmen, um z.B. Abweichungen der Patientengeometrie (Organbewegungen,
Tumorposition und -größe) von den Referenzwerten der Bestrahlungsplanung zu kompensieren.
Als erster Schritt zu diesem Verfahren wurden vereinfachte analytische Dosisdepositions-Punktkerne und
Tiefendosiskurven mit und ohne Magnetfeld erzeugt, um die Haupteffekte des Magnetfeldes auf die
Dosisdeposition nachzuvollziehen.
Material und Methoden
Die Berechnung der Punktkerne beruht zunächst auf reiner Compton-Streuung, wobei ausschließlich die
Elektronen aus der primären Wechselwirkung zur Dosisdeposition herangezogen wurden. Die Bahnen dieser
Elektronen in Wasser bei Vorhandensein eines Magnetfeldes berechneten wir nach der analytischen
Beschreibung in [Jet00]. Entlang der Bahnen fand die Energiedeposition gemäß der Näherung der
kontinuierlichen Abbremsung (csda) statt.
Punktkerne wurden für verschiedene Energien des einfallenden Photons erzeugt, wobei wir zwei verschieden
starke Magnetfelder (1,5T, 3T) sowie die Situation ohne Magnetfeld betrachteten. Aus den Punktkernen wurden
anschließend unter Berücksichtigung der Schwächung der primären Photonen Tiefendosisverläufe sowie
Querprofile dieser berechnet.
Ergebnisse
In Abb. 1 sind beispielhaft Punktkerne für einfallende Photonen mit einer Energie von 3 und 6MeV dargestellt.
Das jeweils erste Bild zeigt die Situation ohne Magnetfeld; darauf folgen 1,5T und 3T. Es ist zu erkennen, dass
die Deformation der Dosisdeposition keineswegs symmetrisch erfolgt, sondern dass die höchste Dosis bei den
deformierten Kernen entlang der proximalen Kante deponiert wird. Dies erklärt sich über die
Energieabhängigkeit der Elektronenradien. In der Vorwärtsrichtung, in der bei den nichtdeformierten Kernen die
Energiedeposition maximal ist, haben die Elektronen die höchste Energie und werden somit von dem Magnetfeld
auf den größten Radius gezwungen. Mit zunehmendem Winkel zur Einfallsrichtung der Photonen sinkt die
Energie der Elektronen, und somit werden sie stärker abgelenkt.
Betrachtet man das Querprofil eines durch Superposition der Punktkerne erzeugten Nadelstrahls, so fällt auf,
dass die Deformation des Kerns in eine Erhöhung der Dosis seitlich des einfallenden Strahls resultiert, wie in
Abb. 2 für einen einfallenden Photonenstrahl von 6MeV ersichtlich ist. Die gesamte laterale Ausdehnung der
Dosisdeposition vergrößert sich.
39. DGMP Tagung 2008 in Oldenburg
Abb. 1: Dosisdepositionskerne für Photonenenergien von 6MeV (o.) und 3MeV (u.) bei 0T, 1,5T, 3T (v.l.n.r.), logarithmische
Farbskala [a.u.]
Diskussion
Die hier berechneten Punktkerne basieren
ausschließlich auf der Dosisdeposition durch
Compton-Elektronen erster Ordnung. Weitere
Streuprozesse sind nicht beachtet, welche die
beobachteten Effekte bei einer physikalisch
vollständigen
Dosisdeposition
„verwaschen“
werden.
Die Arbeit gibt einen Einblick in die
Auswirkungen eines Magnetfeldes auf die
Hauptbeiträge der Dosisverteilung. Dieses Wissen
soll zukünftig zur Entwicklung eines schnellen und
verlässlichen Dosisberechnungsalgorithmus verwendet werden.
Abb. 2: Querprofile eines Nadelstrahls für Photonen von
6MeV in 4cm Tiefe für verschiedene Magnetfelder
Weitere Schritte werden die Betrachtung von aus
Spektren erzeugten Kernen sowie der Vergleich mit
durch Monte Carlo Methoden simulierten Kernen
sein, um Gemeinsamkeiten und Unterschiede zu
analysieren.
Literatur
[Raa08] Raaijmakers AJ, Raaymakers BW, Lagendijk JJ. Magnetic-field-induced dose effects in MR-guided
radiotherapy systems: dependence on the magnetic field strength. Phys Med Biol. 2008 Feb 21; 53(4):909-23
[Kir08] Kirkby C, Stanescu T, Rathee S, Carlone M, Murray B, Fallone BG. Patient dosimetry for hybrid MRIradiotherapy systems. Med Phys. 2008 Mar; 35(3):1019-27.
[Jet00] Jette D. Magnetic fields with photon beams: Monte Carlo calculations for a model magnetic field. Med
Phys. 2000 Dec; 27(12):2726-38.