Purpose: Proton therapy has different relative biological effectiveness (RBE) compared with X-ray treatment, which is the standard in radiation therapy, and the fixed RBE value of 1.1 is widely used. However, RBE depends on a charged particle's linear energy transfer (LET); therefore, measuring LET is important. We have developed a LET measurement method using the inefficiency characteristic of an EBT3 film on a proton beam's Bragg peak (BP) region. Methods: A Gafchromic EBT3 film was used to measure the proton beam LET. It measured the dose at a 10-cm pristine BP proton beam in water to determine the quenching factor of the EBT3 film as a reference beam condition. Monte Carlo (MC) calculations of dose-averaged LET (LETd) were used to determine the quenching factor and validation. The dose-averaged LETs at the 12-, 16-, and 20-cm pristine BP proton beam in water were calculated with the quenching factor. Results: Using the passive scattering proton beam nozzle of the National Cancer Center in Korea, the LETd was measured for each beam range. The quenching factor was determined to be 26.15 with 0.3% uncertainty under the reference beam condition. The dose-averaged LETs were measured for each test beam condition. Conclusions: We developed a method for measuring the proton beam LET using an EBT3 film. This study showed that the magnitude of the quenching effect can be estimated using only one beam range, and the quenching factor determined under the reference condition can be applied to any therapeutic proton beam range.
Purpose: Proton therapy has been used for optimal cancer treatment by adapting its Bragg-peak characteristics. Recently, a tissue-sparing effect was introduced in ultrahigh-dose-rate (FLASH) radiation; the high-energy transmission proton beam is considered in proton FLASH therapy. In measuring high-energy/ultrahigh-dose-rate proton beam, Faraday Cup is considered as a dose-rate-independent measurement device, which has been widely studied. In this paper, the feasibility of the simply designed Faraday Cup (Poor Man's Faraday Cup, PMFC) for transmission proton FLASH therapy is investigated. Methods: In general, Faraday cups were used in the measurement of charged particles. The simply designed Faraday Cup and Advanced Markus ion chamber were used for high-energy proton beam measurement in this study. Results: The PMFC shows an acceptable performance, including accuracy in general dosimetric tests. The PMFC has a linear response to the dose and dose rate. The proton fluence was decreased with the increase of depth until the depth was near the proton beam range. Regarding secondary particles backscatter from PMFC, the effect was negligible. Conclusions: In this study, we performed an experiment to investigate the feasibility of PMFC for measuring high-energy proton beams. The PMFC can be used as a beam stopper and secondary monitoring system for transmission proton beam FLASH therapy.
With hope and concern, the first Korean proton therapy facility was introduced to the National Cancer Center (NCC) in 2007. It added a new chapter to the history of Korean radiation therapy. There have been challenging clinical trials using proton beam therapy, which has seen many impressive results in cancer treatment. Compared to the rapidly increasing number of proton therapy facilities in the world, only one more proton therapy center has been added since 2007 in Korea. The Samsung Medical Center installed a proton therapy facility in 2015. Most radiation oncology practitioners would agree that the physical properties of the proton beam provide a clear advantage in radiation treatment. But the expensive cost of proton therapy facilities is still one of the main reasons that hospitals are reluctant to introduce them in Korea. I herein introduce the history of proton therapy and the cutting edge technology used in proton therapy. In addition, I will cover the role of a medical physicist in proton therapy and the future prospects of proton therapy, based on personal experience in participating in proton therapy programs from the beginning at the NCC.
Cho, Shinhaeng;Goh, Youngmoon;Kim, Chankyu;Kim, Haksoo;Jeong, Jong Hwi;Lim, Young Kyung;Lee, Se Byeong;Shin, Dongho
Progress in Medical Physics
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v.28
no.4
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pp.144-148
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2017
When a high density metallic implant is placed in the path of the proton beam, spatial heterogeneity can be caused due to artifacts in three dimensional (3D) computed tomography (CT) scans. These artifacts result in range uncertainty in dose calculation in treatment planning system (TPS). And this uncertainty may cause significant underdosing to the target volume or overdosing to normal tissue beyond the target. In clinical cases, metal implants must be placed in the beam path in order to preserve organ at risk (OARs) and increase target coverage for tumors. So we should introduce Ti-mesh. In this paper, we measured the lateral dose profile for proton beam using an EBT3 film to confirm dosimetric impact of Ti-mesh when the Ti-mesh plate was placed in the proton beam pathway. The effect of Ti-mesh on the proton beam was investigated by comparing the lateral dose profile calculated from TPS with the film-measured value under the same conditions.
The machine log files recorded by a scanning control unit in proton beam therapy system have been studied to be used as a quality assurance method of scanning beam deliveries. The accuracy of the data in the log files have been evaluated with a standard calibration beam scan pattern. The proton beam scan pattern has been delivered on a gafchromic film located at the isocenter plane of the proton beam treatment nozzle and found to agree within ${\pm}1.0mm$. The machine data accumulated for the scanning beam proton therapy of five different cases have been analyzed using a statistical method to estimate any systematic error in the data. The high-precision scanning beam log files in line scanning proton therapy system have been validated to be used for off-line scanning beam monitoring and thus as a patient-specific quality assurance method. The use of the machine log files for patient-specific quality assurance would simplify the quality assurance procedure with accurate scanning beam data.
Kim, Sung Hun;Jeong, Jong Hwi;Ku, Youngmo;Jung, Jaerin;Cho, Sungkoo;Jo, Kwanghyun;Kim, Chan Hyeong
Nuclear Engineering and Technology
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v.54
no.3
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pp.1016-1023
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2022
In proton therapy, a highly conformal proton dose can be delivered to the tumor by means of the steep distal dose penumbra at the end of the beam range. The proton beam range, however, is highly sensitive to range uncertainty, which makes accurately locating the proton range in the patient difficult. In-vivo range verification is a method to manage range uncertainty, one of the promising techniques being prompt gamma imaging (PGI). In earlier studies, we proposed gamma electron vertex imaging (GEVI), and constructed a proof-of-principle system. The system successfully demonstrated the GEVI imaging principle for therapeutic proton pencil beams without scanning, but showed some limitations under clinical conditions, particularly for pencil beam scanning proton therapy. In the present study, we upgraded the GEVI system in several aspects and tested the performance improvements such as for range-shift verification in the context of line scanning proton treatment. Specifically, the system showed better performance in obtaining accurate prompt gamma (PG) distributions in the clinical environment. Furthermore, high shift-detection sensitivity and accuracy were shown under various range-shift conditions using line scanning proton beams.
Kim, Sung Hun;Jeong, Jong Hwi;Ku, Youngmo;Jung, Jaerin;Kim, Chan Hyeong
Nuclear Engineering and Technology
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v.54
no.6
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pp.2213-2220
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2022
The maximum dose delivery at the end of the beam range provides the main advantage of using proton therapy. The range of the proton beam, however, is subject to uncertainties, which limit the clinical benefits of proton therapy and, therefore, accurate in vivo verification of the beam range is desirable. For the beam range verification in spot scanning proton therapy, a prompt gamma detection system, called as gamma electron vertex imaging (GEVI) system, is under development and, in the present study, the performance of the GEVI system in spot scanning proton therapy was predicted with Geant4 Monte Carlo simulations in terms of shift detection sensitivity, accuracy and precision. The simulation results indicated that the GEVI system can detect the interfractional range shifts down to 1 mm shift for the cases considered in the present study. The results also showed that both the evaluated accuracy and precision were less than 1-2 mm, except for the scenarios where we consider all spots in the energy layer for a local shifting. It was very encouraging results that the accuracy and precision satisfied the smallest distal safety margin of the investigated beam energy (i.e., 4.88 mm for 134.9 MeV).
Radiation therapy is highly effective for the management of pediatric malignant central nervous system (CNS) tumors including embryonal tumors. With the increment of long-term survivors from malignant CNS tumors, the radiation-related toxicities have become a major concern and we need to improve the treatment strategies to reduce the late complications without compromising the treatment outcomes. One of such strategies is to reduce the radiation dose to craniospinal axis or radiation volume and to avoid or defer radiation therapy until after the age of three. Another strategy is using particle beam therapy such as proton beams instead of photon beams. Proton beams have distinct physiologic advantages over photon beams and greater precision in radiation delivery to the tumor while preserving the surrounding healthy tissues. In this review, I provide the treatment principles of pediatric CNS embryonal tumors and the strategic improvements of radiation therapy to reduce treatment-related late toxicities, and finally introduce the increasing availability of proton beam therapy for pediatric CNS embryonal tumors compared with photon beam therapy.
The main benefit of proton therapy over photon beam radiotherapy is the absence of exit dose, which offers the opportunity for highly conformal dose distributions to target volume while simultaneously irradiating less normal tissue. For proton beam therapy two patient specific beam modifying devices are used. The aperture is used to shape the transverse extension of the proton beam to the shape of the tumor target and a patient-specific compensator attached to the block aperture when required and used to modify the beam range as required by the treatment plan for the patient. A block of range shifting material, shaped on one face in such a way that the distal end of the proton field in the patient takes the shape of the distal end of the target volume. The mechanical quality assurance of range compensator is an essential procedure to confirm the 3 dimensional patient-specific dose distributions. We proposed a new quality assurance method for range compensator based on image processing using X-ray tube of proton therapy treatment room. The depth information, boundaries of each depth of plan compensatorfile and x-ray image of compensator were analyzed and presented over 80% matching results with proposed QA program.
Kim, Jong-Won;Park, Sung-Yong;Park, Dahl;Kim, Dae-Yong;Shin, Kyung-Hwan;Cho, Kwan-Ho
Proceedings of the Korean Society of Medical Physics Conference
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2002.09a
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pp.180-182
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2002
A Proton Therapy Center was established this year in National Cancer Center, Korea. We chose IBA of Belgium as the vendor of the equipment package. A 230 MeV fixed-energy cyclotron will deliver proton beams into two gantry rooms, one horizontal beam room, and one experimental station. The building for the equipment is currently under design with a special emphasis on radiation shielding. Installation of equipments is expected to begin in September next year starting with the first gantry, and the acceptance test will be performed about a year later. To generate therapeutic radiation fields the wobbling method will be a main treatment mode for the first gantry. A pencil beam scanning system on the other hand will be equipped for the second gantry relying on the availability at the time of installation. The beam scanning with intensity modulation adapted will be a most advanced form in radiation therapy known as IMPT. Some details on the project progress, scope of the system, and design of building are described.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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