Optimization of the stopping-power-ratio to Hounsfield-value calibration curve in proton and heavy ion therapy

For CT-based dose calculation in ion therapy a link between the attenuation coefficients of photons and the stopping-power of particles has to be provided. There are two commonly known approaches to establish such a calibration curve, the stoichiometric calibration and direct measurements with tissue substitutes or animal samples. Both methods were investigated and compared. As input for the stoichiometric calibration the data from ICRP-report 23 were compared to newly available data from ICRP-report 110. By employing the newer data no relevant difference could be observed.The differences between the two acquisition methods (direct measurement and stoichiometric calibration) were systematically analyzed and quantified. The most relevant change was caused by the exchange of carbon and oxygen content in the substitutes in comparison to the data of the ICRP-reports and results in a general overshoot of the Bragg peak. The consequence of the differences between the calibration curves was investigated with treatment planning studies and iso-range surfaces. Range differences up to 6 mm in treatment plans of the head were observed. Additionally two improvements are suggested which increase the accuracy of the calibration curve.

ZusammenfassungFür die CT-basierte Dosisberechnung in der Ionenstrahltherapie muss ein Zusammenhang zwischen den linearen Schwächungskoeffizienten der Photonen und dem Bremsvermögen der Teilchen hergestellt werden. Es stehen zwei Methoden zur Verfügung, mit denen ein solcher Zusammenhang hergestellt werden kann: die stöchiometrische Kalibrierung und direkte Messungen mit gewebeäquivalenten Substituten oder organischen Gewebeproben. In der vorliegenden Arbeit wurden beide Methoden untersucht und verglichen. Als Eingangsdaten für die stöchiometrische Kalibrierung wurden sowohl die Daten des ICRP-Reports 23 als auch neu verfügbare Daten aus dem ICRP-Report 110 verwendet. Mit Hilfe der neuen Eingangsdaten konnte kein relevanter Unterschied gegenüber den älteren Daten erreicht werden.Die Unterschiede zwischen den beiden Akquisitionsmethoden (direkte Messung und stöchiometrische Kalibrierung) wurden systematisch analysiert und quantifiziert. Der relevanteste Unterschied zwischen den beiden Methoden wurde im Bereich des Weichteilgewebes gefunden und konnte auf den höheren Kohlenstoff- und niedrigeren Sauerstoffanteil der Gewebesubstitute gegenüber den organischen Geweben zurückgeführt werden. Aufgrund dieser Vertauschung kommt es zu einer grundsätzlichen Unterschätzung der Reichweite der Ionen. Die Konsequenzen der unterschiedlichen Kalibrierkurven wurden mit Hilfe von Bestrahlungsplanungsstudien und Isoreichweitenflächen untersucht. Im Falle eines Bestrahlungsplanes eines Kopftumors wurden Reichweitenunterschiede von 6 mm beobachtet. Zusätzlich werden zwei Möglichkeiten dargestellt, mit deren Hilfe die Genauigkeit der stöchiometrischen Kalibrierung weiter verbessert werden kann.