Assessment of secondary radiation and radiation protection in laser-driven proton therapy

Diese Arbeit ist eine Machbarkeitsstudie für ein Strahlentherapiesystem mit Laser-beschleunigten Protonen, das auf dem aktuell diskutierten Energieselektionssystem mit vier Dipolmagneten in einem kompakten, abgeschirmten Strahlführungssystem basiert. Die von der Strahlführung und dem Energieselektionssystem emittierte Sekundärstrahlung und die resultierende effektive Dosis des Patienten werden ausgewertet. Weiterhin wird untersucht, ob ein solches kompaktes System in einem konventionellen Bestrahlungsbunker für klinische Linearbeschleuniger betrieben werden könnte, ohne dass die effektive Dosis für die Öffentlichkeit außerhalb des Bestrahlungsraumes 1 mSv pro Jahr überschreitet. Der Monte-Carlo-Code Geant4 wurde verwendet, um die entstehende Sekundärstrahlung während der Bestrahlung eines hypothetischen Tumors zu simulieren. Die unausweichlich im Patienten selbst generierte Sekundärstrahlung wird ebenfalls berücksichtigt und dient als untere Grenze. Die Resultate zeigen, dass die Sekundärstrahlung, die das abgeschirmte kompakte Bestrahlungssystem verlässt, eine ernsthafte Belastung des Patienten mit Sekundärdosis darstellen würde. Die Gründe dafür sind das breite Energiespektrum und insbesondere die Winkelverteilung der Laser-beschleunigten Protonen, die das untersuchte Strahlführungssystem zusammen mit dem verwendeten Energieselektionssystem sehr ineffizient machen. Die Sekundärstrahlung kann auch von einem konventionellen Bestrahlungsbunker für Linearbeschleuniger nicht ausreichend abgeschirmt werden, um einen klinischen Betrieb zu ermöglichen. Ein vielversprechendes Resultat hingegen ist die Tatsache, dass die nur im Patienten erzeugte Sekundärstrahlung sehr wohl von einem normalen Bestrahlungsbunker abgeschirmt werden kann. Ein konventioneller Bestrahlungsraum würde es erlauben, über 100 Fraktionen zu je 2 Gy pro Tag mit Protonen zu applizieren. Es ist daher theoretisch möglich in solchen Bestrahlungsräumen Patienten mit Protonen zu behandeln. Allerdings zeigen die Resultate eindeutig, dass alternative, effizientere Ansätze zur Energieselektion von Laser-beschleunigten Protonen notwendig sind.