Monte Carlo simulation of an in-beam TOF-PET system for range monitoring in proton therapy

Abstract

A prototerapia permite fornecer uma dose significativa e conformada aos tumores, possibilitando a minimização da dose nos tecidos saudáveis circundantes. No entanto, a prototerapia é extremamente sensível a incertezas relacionadas com o alcance dos protões, que podem resultar numa sobre-irradiação dos tecidos normais e numa sob-irradiação do tumor. A monitorização do alcance dos protões é, por isso, crucial para garantir que o tratamento é administrado de acordo com o planeado.A tomografia por emissão de positrões (PET, do inglês positron emission tomography) pode ser empregue na monitorização do alcance de protões. A irradiação de um doente com um feixe de protões induz a produção de espécies emissoras de positrões. O decaimento destas espécies conduz à emissão de raios gama, emitidos em direções muito aproximadamente opostas, que podem ser detetados por detetores de PET e permitir a reconstrução da distribuição da atividade resultante no corpo.Não existe uma relação linear entre a atividade medida com a PET e a dose depositada durante a irradiação. Atualmente, a monitorização do alcance de protões através da PET é realizada comparando as distribuições da atividade medidas com distribuições de atividade previstas por simulações de Monte Carlo (MC). Qualquer desvio observado entre estas distribuições permite ajustar o plano de tratamento, uma vez que este não está a ser administrado de acordo com o planeado. Adicionalmente, a PET permite a comparação da distribuição da atividade medida numa determinada fração com distribuições medidas em frações anteriores, de forma a detetar desvios indesejados no tratamento.O consórcio da TOF-PET para Prototerapia (TPPT, do inglês TOF-PET for Proton Therapy), uma associação entre diversas instituições de Portugal e dos Estados Unidos da América, encontra-se atualmente a desenvolver uma PET com informação do tempo de voo (TOF, do inglês time-of-flight) para monitorização do alcance de protões durante o tratamento de prototerapia em cancros da cabeça e do pescoço. A estrutura para simulações de MC da operação do protótipo TOF-PET projetado foi desenvolvida em Geant4 por um grupo do Laboratório de Instrumentação e Física Experimental de Partículas (LIP). O trabalho desenvolvido no âmbito deste projeto de Mestrado desenrolou-se nas três contribuições abaixo apresentadas.Primeiramente, os materiais do detetor da PET foram definidos no Geant4 e a sua geometria foi definida com os sólidos do Geant4 (abordagem G4VSolid). O detetor desenvolvido nesta abordagem foi posteriormente comparado em termos da sua eficácia de deteção com o detetor desenvolvido por um grupo distinto, numa abordagem obtida diretamente da geometria CAD (do inglês Computer-Aided Design) do protótipo (abordagem GDML, do inglês Geometry Description Markup Language). Para além disso, o efeito dos diferentes componentes do detetor definido na abordagem G4VSolid na eficácia de deteção foi analisado.De seguida, os cortes de produção da simulação foram otimizados, de forma a minimizar o tempo da simulação e maximizar a sua exatidão.Por fim, tendo em conta que a simulação desenvolvida pelo consórcio é um código aberto, informação acerca da produção de espécies emissoras de positrões resultantes da irradiação com protões (secção eficaz em função da energia dos protões) foi extraída de uma investigação publicada pelo Heidelberg Ion-Beam Therapy Center (HIT), na Alemanha, e do repositório de Experimental Nuclear Reaction Data (EXFOR). As distribuições de atividade resultantes dos dados extraídos e dos dados fornecidos confidencialmente pelo grupo do HIT foram comparados, de forma a validar os dados extraídos.Os resultados obtidos demonstram que: (1) o efeito dos componentes do detetor na eficácia de deteção é mínimo, independentemente da abordagem adotada; o único efeito perceptível surge da face do invólucro que reveste o detetor voltada para o doente, que causa uma diminuição de aproximadamente 3% no número total de coincidências detetadas; (2) os cortes de produção ótimos foram alterados para 0,1 mm para todas as partículas secundárias; (3) as diferenças entre as distribuições de atividade resultantes dos dados das secções eficazes extraídos e dos dados providenciados confidencialmente pelo grupo do HIT foram insignificantes, validando, assim, os dados extraídos.

Proton therapy allows to deliver a significant conformal dose to tumors while minimizing the dose in the surrounding healthy tissues. However, proton therapy is extremely sensitive to uncertainties related to the proton range, that can result in the over-irradiation of normal tissues and under-irradiation of the tumor. Proton range verification is, therefore, crucial to ensure the treatment is delivered as planned.Positron emission tomography (PET) can be used for proton range verification. The irradiation of a patient with a proton beam induces the production of positron-emitting species. The decay of these species leads to the emission of approximately back-to-back gamma rays that can be detected by PET detectors, and allow the reconstruction of the distribution of the resulting activity in the body.There is no straightforward relation between the activity measured with PET and the dose delivered during irradiation. Currently, proton range verification by means of PET is done by comparing the measured activity with activity distributions predicted by Monte Carlo (MC) simulations. Any mismatch between these distributions provides feedback to adjust the treatment planning, as the treatment is not being delivered as planned. Additionally, PET allows the comparison of the measured activity distribution from one delivered fraction with distributions from previous fractions, in order to detect whether unwanted deviations in the treatment are occurring.The TOF-PET for Proton Therapy (TPPT) consortium, an association between several Portuguese and American institutions, is developing a PET with time-of-flight (TOF) information for range verification during the delivery of proton therapy to head and neck tumors. A framework for MC simulations of the operation of the designed TOF-PET prototype was developed in Geant4 by a group from the Laboratory of Instrumentation and Experimental Particles Physics (LIP). The work carried out under this Master's project was developed along the following three contributions.Firstly, the PET detector materials were defined in Geant4 and its geometry was defined with Geant4's solids (G4VSolid approach). The detector defined in this approach was then compared in terms of its detection efficiency with the detector defined by another group in an approach directly obtained from the prototype's Computer-Aided Design (CAD) geometry (GDML, Geometry Description Markup Language, approach). Furthermore, the effect of the detector components defined in the G4VSolid approach on the detection efficiency was analyzed.Secondly, the simulation production cuts were optimized to minimize the simulation run time while maximizing its accuracy.Thirdly, given that the simulation developed for the TPPT consortium is an open-source code, proton-induced positron-emitting species production information (cross-sections versus proton energy) was extracted from a published work by the Heidelberg Ion-Beam Therapy Center (HIT), in Germany, and from the EXFOR (Experimental Nuclear Reaction Data) library. The activity distributions resulting from the extracted data and from the data provided privately by the HIT group were compared for validation.The achieved results demonstrate that: (1) the effect of the detector components on the detection efficiency is small, no matter the approach; the only noticeable difference arises from the element of the detector enclosure facing the patient, that causes a decrease of approximately 3% in the total number of detected coincidences; (2) the optimal production cuts were set to 0.1 mm for all secondary particles; (3) the differences between the activity profiles resulting from the extracted cross-sectional information and from the data provided privately by the HIT group were negligible, hence validating the extracted data set.