Comparison of basic features of proton and helium ion pencil beams in water using GATE

PurposeThe aim of this study was to investigate the basic features of helium ions for their possible application in advanced radiotherapy and to benchmark them against protons, the current particle of choice in the low linear energy transfer (LET) range.Material and methodsGeant4 Application for Emission Tomography (GATE) simulations were performed with beams of 1x107 monodirectional particles traversing a water phantom. Initial energies ranged from 50 to 250 MeV per nucleon (MeV/A). The following parameters were evaluated: particle range at the distal 80% of maximum energy deposition (Emax), width of the Bragg peak (BP) at 60% of Emax, and dose fall-off width between 80% and 20% of Emax for longitudinal spectra. In addition the fragmentation tail was quantified in terms of length, percental energy deposition, and contributing particles. For each energy lateral profiles were registered along the beam axis and the FWHM at four different depths was extracted. Besides the comparison of parameters between the two particle types, results were also compared to data in the literature.ResultsAs expected, the position of the BP as a function of initial kinetic energy showed similar values for protons and helium ions, with deviations smaller than 1.3%. The quantitative results of the Monte Carlo (MC) study showed less range straggling effects and smaller lateral deflections for helium ions compared to protons for the investigated energy range. On average, an about 56% reduction of the width of the BP and a 48% reduction of the dose fall-off was observed for helium ions compared to protons. Both the width of the BP and the dose fall-off width as a function of particle range or energy showed an almost linear increase with increasing energy. The tail length increased from 55.9 mm to 592.7 mm and the deposited energy increased from 0.5% to 7.3% for energies between 90 and 250 MeV/A. Lateral profiles of helium ions were about 52% narrower than those of protons.ConclusionsDue to their mass and charge helium ions distinguish themselves from protons in reduced range straggling effects, smaller lateral deflections, and a fragmentation tail. The MC based comprehensive data set for 21 clinically relevant energies can be used to create look-up tables for semi-analytical pencil beam model for helium ions.

ZusammenfassungZielZiel dieser Studie war, die grundlegenden Eigenschaften von Helium-Ionen-Nadelstrahlen zu untersuchen und diese Teilchenart auf ihre mögliche Anwendung in der Strahlentherapie zu prüfen. Die Ergebnisse wurden mit jenen von Protonen verglichen, welche derzeit als Teilchen erster Wahl im Bereich der Strahlung mit geringem „linear energy transfer“ (LET) gelten.Material und MethodenDie Geant4 Application for Emission Tomography (GATE)-Simulationen wurden mit Nadelstrahlen bestehend aus 1x107 Teilchen in der Ausbreitungsrichtung durchgeführt, die ein Wasserphantom durchquerten. Die Anfangsenergien reichten von 50 bis 250 MeV pro Nukleon (MeV/A). Folgende Parameter wurden evaluiert: die Reichweite der Teilchen bei den distalen 80% der maximalen Energiedeposition (Emax), die Breite des Bragg peaks (BP) bei 60% von Emax und die Breite des Dosisabfalls zwischen 80% und 20% von Emax für die longitudinalen Spektren. Zusätzlich wurde der Fragmentierungsschwanz in Bezug auf seine Länge, die prozentualen Dosisbeiträge und die beteiligten Teilchen charakterisiert. Für jede Energie wurden die lateralen Profile entlang der Strahlachse registriert und die FWHM an vier verschiedenen Tiefen extrahiert. Zusätzlich zu dem Vergleich der Parameter zwischen den beiden Teilchenarten wurden die Resultate mit Daten aus der Literatur verglichen.ErgebnisseWie erwartet ergaben sich für die Position des BP als Funktion der kinetischen Anfangsenergie ähnliche Werte für Protonen und Helium-Ionen mit Abweichungen kleiner als 1,3%. Die quantitativen Ergebnisse der Monte-Carlo(MC)-Studie zeigten für Helium-Ionen im Vergleich zu Protonen eine geringere Reichweitenstreuung und kleinere laterale Ablenkungen für den gesamten untersuchten Energiebereich. Im Durchschnitt konnte eine Reduktion der BP-Breite um 56% und eine Reduktion der Breite des Dosisabfalls um 48% für Helium-Ionen beobachtet werden. Beide Parameter zeigten als Funktion der Teilchenreichweite einen linearen Anstieg für höhere Energien. Bezüglich des Fragmentierungsschwanzes erhöhten sich sowohl die Länge von 55,9 mm auf 592,7 mm als auch die deponierte Energie von 0,5% auf 7,3% für Energien zwischen 90 und 250 MeV/A. Die lateralen Profile der Helium-Ionen waren um etwa 52% schmaler als die der Protonen.SchlussfolgerungenAufgrund ihrer Masse und ihrer Ladung unterscheiden sich Helium-Ionen durch eine reduzierte Reichweitenstreuung, eine geringere laterale Strahlaufweitung und einen Fragmentierungsschwanz von Protonen. Der MC-basierte Datensatz, der 21 klinisch relevante Energien umfasst, kann zur Erstellung von Nachschlagetabellen für ein semi-analytisches Nadelstrahl-Modell für Helium-Ionen verwendet werden.