Fast algorithm of simulation positron emission species generation for a multi-beamlet proton therapy treatment plans

Abstract

Proton radiation therapy allows the deposition of energy concentrated in the tumor region while minimizing damage to the surrounding tissues. However, despite this advantage, there is a challenge in precisely stopping protons at the tumor site, which may result in under-irradiation of this region. Therefore, to mitigate these risks, a method of proton therapy range verification is necessary.Positron emission tomography (PET) imaging is a practical approach for proton range verification. Nuclear interactions of the proton beam in tissue lead to positron-emitting isotopes, enabling PET image acquisition by utilizing beam-induced patient activation.The primary objective of PET is to confirm the proton beam's range rather than the complete dose distribution. This is because the activation observed through PET does not directly correspond to the dose distribution. Therefore, with the purpose of verifying if the treatment is being delivered as planned, Monte Carlo codes capable of simulating nuclear interaction frequency and location are used. This enables the comparison of the predicted activity distribution with the measured activity distribution, and if there is any difference between these distributions, it is a sign that deviations in the treatment are occurring and thus need to be adjusted.The TOF-PET for Proton Therapy (TPPT) consortium, a collaboration between American and Portuguese institutions, has designed an in-beam PET equipped with highly precise Time of Flight (TOF) capabilities for verifying the range during proton radiation therapy. To simulate the operation of the TOF-PET prototype designed by the TPPT consortium, the Laboratory of Instrumentation and Experimental Particles Physics (LIP) has created a framework developed using the Geant4 toolkit. The work carried out under this Master’s project was developed along the following three contributions.Firstly, test the part of the TPPT framework (TPPTsim) dedicated to the generation of the positron emitting species (PES).Secondly, the role of the positron range in brain and bone tissue on the activity distribution was studied using the tools generated in the framework.Thirdly, a faster algorithm to obtain the spatial distribution of PES was developed. This new approach does not rely on Monte-Carlo procedures.At the end of this work it can be said that: (1) all necessary changes to TPPTsim have been conducted and a description manual has been created; (2) due to the presence of phosphorous and calcium in bone, both leading to the emission of positrons with higher energies, it is shown that positron range only has an impact on the bone activity; (3) the newly developed algorithm greatly decreases the time needed to obtain the spatial distribution of PES, however, proton fluence near the end of the proton path is not accurately represented resulting in a slightly lower mean proton range in comparison to what is observed experimentally by approximately 2 mm.

A terapia de radiação com protões permite a deposição de energia concentrada na região do tumor, minimizando os danos aos tecidos circundantes. No entanto, apesar dessa vantagem, existe um desafio em parar precisamente os protões no local do tumor, o que pode resultar na sub irradiação dessa região. Portanto, para mitigar estes riscos, é necessário um método de verificação do alcance de protões nesta terapia.A tomografia por emissão de positrões (PET, do inglês Positron emission tomography) é uma abordagem prática para a verificação do alcance de protões. As interações nucleares do feixe de protões no tecido levam à formação de isótopos emissores de positrões, possibilitando a aquisição de imagens PET através da ativação do paciente induzida pelo feixe.O principal objetivo do PET é confirmar o alcance do feixe de protões em vez da distribuição completa da dose. Isto ocorre porque a ativação observada por meio do PET não corresponde diretamente à distribuição da dose. Portanto, com o objetivo de verificar se o tratamento está a ser administrado conforme planejado, são usados códigos Monte Carlo capazes de simular a frequência e a localização das interações nucleares. Isto permite a comparação entre a distribuição de atividade prevista e a distribuição de atividade medida, e se houver diferença entre essas distribuições, é um sinal de que o tratamento não está a ocorrer como previsto e, portanto, precisa ser ajustado.O consórcio TOF-PET para Prototerapia (TPPT, do inglês TOF-PET for Proton Therapy), uma colaboração entre instituições americanas e portuguesas, projetou um PET equipado com capacidades altamente precisas de tempo de voo (TOF, do inglês Time of Flight) para verificar o alcance de protões durante a terapia de radiação com protões. Para simular o funcionamento do protótipo TOF-PET projetado pelo consórcio TPPT, o Laboratório de Instrumentação e Física Experimental de Partículas (LIP) criou uma estrutura para simulações desenvolvida usando o software Geant4. O trabalho desenvolvido no âmbito deste projeto de Mestrado desenrolou-se nas três contribuições abaixo apresentadas. Primeiramente, testou-se a parte da estrutura de simulações TPPT dedicada à geração das espécies emissores de positrões (PES, do inglês positron emitting species).De seguida, estudou-se o papel do alcance de positrões nos tecidos cerebrais e ósseos na distribuição de atividade usando as ferramentas geradas na estrutura de simulações.Por fim, desenvolveu-se um algoritmo mais rápido para obter a distribuição espacial de PES. Esta nova abordagem não depende de procedimentos Monte Carlo.Ao final deste trabalho, pode-se afirmar que: (1) todas as alterações necessárias na TPPTsim foram realizadas e um manual de descrição foi criado; (2)devido à presença de fósforo e cálcio nos ossos, ambos levando à emissão de positrões com energias mais elevadas, demonstra-se que o alcance dos positrões apenas tem impacto na atividade óssea.; (3) o algoritmo recém desenvolvido reduz significativamente o tempo necessário para obter a distribuição espacial das PES, no entanto, a fluência de protões próxima ao final da trajetória dos protões não é representada com precisão, resultando num alcance médio de protões ligeiramente menor em comparação com o que é observado experimentalmente, cerca de 2 mm.