Dosimetric precision of an ion beam tracking system

<p>Abstract</p> <p>Background</p> <p>Scanned ion beam therapy of intra-fractionally moving tumors requires motion mitigation. GSI proposed beam tracking and performed several experimental studies to analyse the dosimetric precision of the system for scanned carbon beams.</p> <p>Methods</p> <p>A beam tracking system has been developed and integrated in the scanned carbon ion beam therapy unit at GSI. The system adapts pencil beam positions and beam energy according to target motion.</p> <p>Motion compensation performance of the beam tracking system was assessed by measurements with radiographic films, a range telescope, a 3D array of 24 ionization chambers, and cell samples for biological dosimetry. Measurements were performed for stationary detectors and moving detectors using the beam tracking system.</p> <p>Results</p> <p>All detector systems showed comparable data for a moving setup when using beam tracking and the corresponding stationary setup. Within the target volume the mean relative differences of ionization chamber measurements were 0.3% (1.5% standard deviation, 3.7% maximum). Film responses demonstrated preserved lateral dose gradients. Measurements with the range telescope showed agreement of Bragg peak depth under motion induced range variations. Cell survival experiments showed a mean relative difference of -5% (-3%) between measurements and calculations within the target volume for beam tracking (stationary) measurements.</p> <p>Conclusions</p> <p>The beam tracking system has been successfully integrated. Full functionality has been validated dosimetrically in experiments with several detector types including biological cell systems.</p

Spinal infection: state of the art and management algorithm

Spinal infection is a rare pathology although a concerning rising incidence has been observed in recent years. This increase might reflect a progressively more susceptible population but also the availability of increased diagnostic accuracy. Yet, even with improved diagnosis tools and procedures, the delay in diagnosis remains an important issue. This review aims to highlight the importance of a methodological attitude towards accurate and prompt diagnosis using an algorithm to aid on spinal infection management. METHODS: Appropriate literature on spinal infection was selected using databases from the US National Library of Medicine and the National Institutes of Health. RESULTS: Literature reveals that histopathological analysis of infected tissues is a paramount for diagnosis and must be performed routinely. Antibiotic therapy is transversal to both conservative and surgical approaches and must be initiated after etiological diagnosis. Indications for surgical treatment include neurological deficits or sepsis, spine instability and/or deformity, presence of epidural abscess and upon failure of conservative treatment. CONCLUSIONS: A methodological assessment could lead to diagnosis effectiveness of spinal infection. Towards this, we present a management algorithm based on literature findings

The neutron and its role in cosmology and particle physics

Experiments with cold and ultracold neutrons have reached a level of precision such that problems far beyond the scale of the present Standard Model of particle physics become accessible to experimental investigation. Due to the close links between particle physics and cosmology, these studies also permit a deep look into the very first instances of our universe. First addressed in this article, both in theory and experiment, is the problem of baryogenesis ... The question how baryogenesis could have happened is open to experimental tests, and it turns out that this problem can be curbed by the very stringent limits on an electric dipole moment of the neutron, a quantity that also has deep implications for particle physics. Then we discuss the recent spectacular observation of neutron quantization in the earth's gravitational field and of resonance transitions between such gravitational energy states. These measurements, together with new evaluations of neutron scattering data, set new constraints on deviations from Newton's gravitational law at the picometer scale. Such deviations are predicted in modern theories with extra-dimensions that propose unification of the Planck scale with the scale of the Standard Model ... Another main topic is the weak-interaction parameters in various fields of physics and astrophysics that must all be derived from measured neutron decay data. Up to now, about 10 different neutron decay observables have been measured, much more than needed in the electroweak Standard Model. This allows various precise tests for new physics beyond the Standard Model, competing with or surpassing similar tests at high-energy. The review ends with a discussion of neutron and nuclear data required in the synthesis of the elements during the "first three minutes" and later on in stellar nucleosynthesis.Comment: 91 pages, 30 figures, accepted by Reviews of Modern Physic

Berechnung der RBW-gewichteten Dosis und biologische Dosimetrie für bewegte Zielvolumina in der Tumortherapie mit gescannten Kohlenstoffionen

Der Einsatz von Kohlenstoffionen und ihre Applikation mittels des Rasterscanverfahrens machen die Tumortherapie am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung weltweit einmalig. Das Rasterscanverfahren ermöglicht mittels eines feinen Strahls, der über das Tumorvolumen geführt wird, eine äußerst tumorkonforme Bestrahlung bei gleichzeitiger Schonung des umliegenden Normalgewebes. Neben dem invertierten Dosisprofil von Teilchenstrahlen haben Kohlenstoffionen im Zielvolumen eine höhere relative biologische Wirksamkeit (RBW) als im Eingangskanal. Die Überlagerung mehrerer Tausend Einzelstrahlen durch intensitätsmodulierte Teilchenapplikation führt zu gemischten Teilchenfeldern, die eine ortsaufgelöste Berechnung der RBW notwendig machen. Bisher wurden nur unbewegliche Tumoren behandelt, wie sie zum Beispiel im Bereich der Schädelbasis vorkommen. Bei bewegten Zielvolumina kann auf Grund des Wechselspiels zwischen dynamischer Strahlapplikation und Tumorbewegung selbst unter Verwendung von in der Photonentherapie üblichen Sicherheitssäumen keine tumorkonforme Dosisbelegung erfolgen. Es wurde daher ein Prototyp zur Nachführung des Strahls an die Bewegung sowie eine dedizierte 4D Bestrahlungsplanung für die absorbierte Dosis entwickelt. Das Ziel dieser Arbeit war die Berechnung der klinisch relevanten RBW-gewichteten Dosis unter Berücksichtigung der komplexen Abhängigkeit der RBW von Teilchenzahl, -sorte und -energie in die 4D Bestrahlungsplanung zu integrieren. Dies gelang mit einem Algorithmus, der auf der Basis von 4D-CT die Beiträge jeder Bewegungsphase zum gemischten Teilchenstrahlfeld voll berücksichtigt. Zur Verifikation der Berechnungen wurde ein Bewegungsphantom entwickelt, um ortsaufgelöst das Überleben von Zellkulturen und damit die RBW-gewichtete Dosis zu messen. Die Genauigkeit von Einzelmessungen liegt bei 8-12 % und ist vergleichbar mit anderen Systemen für die biologische Dosimetrie von stationären Zielvolumina. Das Bewegungsphantom wurde in mehreren Messungen benutzt, um die Methode zur Berechnung der RBW-gewichteten Dosis für bewegte Zielvolumina erfolgreich zu validieren: Im Mittel ergaben sich mit 0-3% nur geringe Differenzen zwischen Messung und Vorhersage. Abschließend wurde das Bewegungsphantom für eine biologische Verifikation des Bewegungskompensationssystems in einer Experimentserie benutzt, die eine dreidimensionale Anpassung der Strahlposition erforderte. Die Ergebnisse der bewegungskompensierten Bestrahlung und der stationären Referenzbestrahlung sowie der jeweilige Vergleich zwischen Messung und Berechnung des Zellüberlebens lagen innerhalb der Messgenauigkeit der Experimentserie von 7% und waren damit erfolgreich