Influence of ridge filter material on the beam efficiency and secondary neutron production in a proton therapy system

In this work, the 3D proton dose profile is calculated in a homogenous water phantom using a Monte Carlo application developed with the Geant4 toolkit. The effect of the ridge filter material (for SOBP widths of 6, 9 and 12 cm) on the homogeneity of the dose distribution, secondary neutron production and beam efficiency are investigated in a single ring wobbling irradiation system. The energy spectrum of secondary neutrons per primary proton at various locations around the phantom surface is calculated. The simulation revealed that most of the produced neutrons are released at slight angles which enable them to reach the patient and consequently to be hazardous. Also, the homogeneity of the dose distribution at the proximal edge of spread out Bragg peak (SOBP) field is deteriorated due to the scattering of protons in the ridge filter. It is found that for reducing the above mentioned destructive effects, usage of a PMMA ridge filter is better than Al one. For a similar value of 9 cm water equivalent thickness, beam widening radius of Al at isocenter is twice of PMMA. Furthermore, for uniform irradiation of the target, the beam efficiency of the system for Al is less than of PMMA and also regarding to the secondary neutron production PMMA is a better choice.

ZusammenfassungIn dieser Arbeit wird ein 3D-Protonen-Dosisprofil in einem homogenen Wasserphantom mit Hilfe einer Monte-Carlo-Simulation mit Geant4 berechnet. Der Einfluss des “Ridge Filter”-Materials (für SOBP Breiten von 6, 9 und 12 cm) auf die Homogenität der Dosisverteilung, die Produktion von sekundären Neutronen und die Strahleneffizienz in einer Einzelring- “Wobbling”-Strahlführung wurden untersucht. Das Energie-Spektrum der sekundären Neutronen pro primärem Proton an verschiedenen Lokalisationen rund um die Phantom-Oberfläche wurde berechnet. Die Simulation ergab, dass die meisten der erzeugten Neutronen in einem flachen Winkel abgestrahlt werden und somit den Patienten erreichen und potentiell gefährlich sein können. Außerdem wurde festgestellt, dass sich die Homogenität der Dosisverteilung an der proximalen Kante des “Spread Out Bragg-Peak” (SOBP) aufgrund der Streuung von Protonen im “Ridge-Filter” verschlechterte. Es wurde weiterhin festgestellt, dass sich bei Verwendung eines PMMA-Filters anstatt eines Aluminium-Filters die oben erwähnten negativen Effekte verringern. Für eine wasseräquivalente Dicke von 9 cm ist die Aufstreuung des Strahls am Isozentrum für Aluminium doppelt so groß wie für PMMA. Zudem ist bei Verwendung von Aluminium für eine homogene Targetbestrahlung die Strahleneffizienz geringer und die Neutronenproduktion größer als bei Verwendung von PMMA.