Clinical Dosimetry in Photon Radiotherapy – a Monte Carlo Based Investigation

Die klinische Dosimetrie ist ein fundamentaler Schritt im Rahmen der Strahlentherapie und zielt auf eine Quantifizierung der absorbierten Energiedosis innerhalb einer Unsicherheit von 1-2%. Um eine entsprechende Genauigkeit zu erreichen, müssen Korrektionen bei Messungen mit luft-gefüllten, kalibrierten Ionisationskammern angewendet werden. Die Anwendung der Korrektionen basiert auf der Hohlraumtheorie nach Spencer-Attix und wird in den jeweiligen, aktuellen Dosimetrieprotokollen definiert. Energieabhängige Korrektionen berücksichtigen die Abweichung von Kalibrierbedingungen und die damit verbundene Änderung des Ansprechvermögens von Ionisationskammern im Therapiestrahl. Die üblicherweise angewendeten Korrektionen basieren auf semi-analytischen Modellen oder auf Vergleichsmessungen und sind auf Grund der Größenordnung von einigen Prozent oder weniger schwierig zu quantifizieren. Weiterhin werden die Korrektionen für feste geometrische Referenzbedingungen definiert, die nicht zwangsläufig mit den Bedingungen in den modernen Strahlentherapie-Anwendungen übereinstimmen. Das stochastische Monte-Carlo Verfahren zur Simulation von Strahlungstransport gewinnt zunehmend Bedeutung in der Medizinischen Physik. Es stellt ein geeignetes Werkzeug zur Berechnung dieser Korrektionen mit einer prinzipiell hohen Genauigkeit dar und erlaubt die Untersuchung von Ionisationskammern unter verschiedensten Bedingungen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die konsistente Untersuchung der gängigen Ionisationskammer-Dosimetrie in der Strahlentherapie mit Photonen unter Anwendung von Monte-Carlo Simulationen. Heutzutage existieren Monte-Carlo Algorithmen, die die präzise Berechnung des Ansprechvermögens von Ionisationskammern prinzipiell erlauben. Dem Ergebnis einer Monte Carlo Simulation haftet allerdings immer eine statistische Unsicherheit an. Untersuchungen dieser Art sind damit durch lange Berechnungszeiten, die für ein signifikantes Ergebnis innerhalb kleiner statistischen Unsicherheiten entstehen, nur begrenzt möglich. Neben der Verwendung großer Rechnerkapazitäten, lassen sich so genannte Varianzreduktions-Verfahren anwenden, die die benötigte Simulationszeit verringern. Entsprechende Methoden zur Steigerung der Recheneffizienz um mehrere Größenordnungen wurden im Rahmen der Arbeit entwickelt und in ein modernes und etabliertes Monte-Carlo Simulationspaket implementiert. Mit Hilfe der entwickelten Methoden wurden Daten aktueller klinischer Dosimetrieprotokolle zur Bestimmung der Wasserenergiedosis unter Referenzbedingungen in Photonenstrahlung untersucht. Korrektionsfaktoren wurden berechnet und mit den existierenden Daten in der Literatur verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass berechnete Daten in guter Übereinstimmung mit aktuellen Messdaten liegen, allerdings teilweise von den in Dosimetrieprotokollen genutzten Daten um _1% abweichen. Ursache hierfür sind z.T. überholte Theorien und jahrzehnte alte Messungen zu einzelnen Störungsfaktoren. Quellen von Unsicherheiten in den durch Monte-Carlo Simulationen berechneten Daten wurden untersucht, auch unter Berücksichtigung von Unsicherheiten in den Wirkungsquerschnitten, die den Simulationen zu Grunde liegen. Im Sinne einer konservativen Abschätzung zeigten sich dabei systematische (Typ B) Unsicherheiten von ~1%. Ionisationskammern unter Nicht-Referenzbedingungen wurden mit Hilfe eines virtuellen Linearbeschleuniger-Modells untersucht. Neben der Entwicklung einer Methodik zur Kommissionierung, d.h. dem Anpassen des Modells an Messungen hinsichtlich der Eigenschaften des primären Elektronenstrahls, war das Ziel dieser Berechnungen eine Untersuchung des Verhaltens von Ionisationskammern unter geometrischen Nicht-Referenzbedingungen. Es konnte gezeigt werden, dass die üblicherweise eingesetzten Ionisationskammertypen nur kleine Abweichungen in ihrem Ansprechvermögen zeigen, solange Sekundärelektronen-Gleichgewicht vorausgesetzt werden kann. Demgegenüber zeigen Detektoren eine starke Änderung ihres Ansprechvermögens in Regionen, in denen kein Sekundärelektronen-Gleichgewicht und damit ein hoher Dosisgradient vorliegt, wie etwa im Feldrand. Die Anwendbarkeit der Spencer-Attix Theorie unter diesen Bedingungen wurde überprüft und es konnte gezeigt werden, dass innerhalb von ~1% die Bestimmung der Wasserenergiedosis mit Hilfe der Korrektionsfaktoren möglich ist. Eine weitere Untersuchung dieser Bedingungen bei der Messung von Profilen wurde genutzt, um einen Detektortyp zu bestimmen, der die geringsten Abweichungen in seinem Ansprechvermögen in Regionen mit Sekundärelektronen-Ungleichgewicht und hohen Dosisgradienten zeigt. Hinsichtlich der Verbreiterung des Feldrands zeigt die Filmdosimetrie die geringsten Abweichungen zu einem idealen Profil. Langfristig werden Monte-Carlo Simulationen die Daten in klinischen Dosimetrieprotokollen ersetzen oder zumindest erweitern, um eine Verringerung der Unsicherheiten bei der Strahlenanwendung am Menschen zu erreichen. Für Korrektionen in Nicht-Referenzbedingungen wie sie in modernen strahlentherapeutischen Anwendungen auftreten, werden Monte-Carlo Simulationen eine entscheidende Rolle spielen. Die in dieser Arbeit entwickelten Methoden stellen dementsprechend einen wichtigen Schritt zur Verringerung der Unsicherheiten in der Strahlentherapie dar