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Influence of secondary electron spectra on the enhanced effectiveness of ion beams

Pfuhl, Tabea (2021):
Influence of secondary electron spectra on the enhanced effectiveness of ion beams. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00019157,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Influence of secondary electron spectra on the enhanced effectiveness of ion beams
Language: English
Abstract:

A detailed understanding of physical and biological effects resulting from radiation exposure is crucial in the field of radiation research. Besides the hazardous character of radiation in the context of radiation protection and space research, radiation is applied beneficially in cancer radiotherapy. The radiation effect depends on several factors such as dose, energy and type of radiation. Therefore, radiobiological models are essential to predict the corresponding biological effects. Such models are crucial for instance in particle therapy for the optimization of radiation treatment plans or in space research for risk assessment for astronauts. The LEM is a widely applied model for the prediction of cellular radiation effects and enables the prediction of the increased RBE of ion radiation in comparison to photon radiation. Over the years, the LEM was validated for several ion species and biological endpoints such as the prediction of cell survival in-vitro and in-vivo, the induction of secondary cancers, dose rate or cell cycle effects. In this work, a systematic validation was performed for the current version of the model, LEM IV, by comparing its RBE predictions for cell survival to 610 measurements of a comprehensive database. The analysis enabled a quantification of the systematic underestimation of RBE at larger ion energies, which was observed in previous model validations with single measurement datasets. Additionally, the LEM was further validated by predicting cell survival after mixed irradiations with ions and photons and comparing the results to measurement data.

In order to analyze the origin of the observed model deviations in the critical high-energy regime, a more profound understanding of DNA lesion induction and interaction is necessary. In the LEM, the effect calculation after radiation exposure is based on the spatial distribution of DSB in the DNA. For the determination of the DSB distribution in an ion track, the number of DSB induced per dose unit is adopted from photon measurements. In this context the dose refers to energy depositions in nanometer-sized volumes. Thereby, the simplifying assumption is made that photon and ion radiation induce the same number of DSB per dose unit. The DSB are, however, predominantly induced by secondary electrons, which are ejected by the primary radiation species. Furthermore, it is well known that low-energetic electrons are more effective in DSB induction in comparison to high-energetic ones due to high ionization densities at electron track ends. Since the secondary energy spectra are substantially different for ions and photons, also different numbers of DSB per dose unit are expected. In this work, this difference was quantified determining the mean DSB induction effectiveness of different radiation species based on their secondary electron spectra. To assess the mean effectiveness of a secondary electron spectrum, a quantification of the DSB induction effectiveness of single electrons is crucial. Therefore, the probability for DSB induction was derived from the mean free path between two ionizations along an electron track assuming that at least two ionizations are necessary within a defined threshold distance in order to induce a DSB. The DSB induction model was successfully applied to determine the effectiveness of different ion species but also for several photon radiation qualities. Furthermore, these findings were incorporated in the LEM, leading to a new model version LEM V. The more precise description of the DSB induction in dependence of the primary radiation species led to more accurate RBE predictions for cell survival after ion irradiation. Especially the observed underestimation of RBE for higher energetic ions for LEM IV was improved, leading to more precise effect predictions not only for radiotherapy applications but also for radiation risk assessment in space research.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Ein detailliertes Verständnis der physikalischen und biologischen Effekte nach Strahlenexposition ist von entscheidender Bedeutung in der Strahlenforschung. Neben dem schädlichen Charakter von Strahlung im Rahmen des Strahlenschutzes und der Weltraumforschung wird Strahlung in der Krebstherapie vorteilhaft eingesetzt. Der biologische Effekt von Strahlung hängt von verschiedenen Faktoren wie Dosis, Energie und Art der Strahlung ab, weshalb radiobiologische Modelle wichtig sind, um die entsprechende biologische Wirkung vorherzusagen. Solche Modelle werden beispielsweise in der Partikeltherapie zur Optimierung von Strahlenbehandlungsplänen oder in derWeltraumforschung zur Risikobewertung für Astronauten eingesetzt. Das Lokale Effekt Modell (LEM) ist hierbei ein vielfältig verwendetes Modell zur Vorhersage von zellulären Strahlungseffekten und ermöglicht die Vorhersage der erhöhten Relativen Biologischen Wirksamkeit (RBW) von Ionenstrahlung im Vergleich zu Photonenstrahlung. Im Laufe der Jahre wurde das LEM für verschiedene Ionenspezies und biologische Endpunkte validiert, wie zum Beispiel für die Vorhersage des Zellüberlebens in-vitro und in-vivo, die Induktion von Sekundärkrebs sowie Dosisraten- oder Zellzykluseffekte. In dieser Arbeit wurde die aktuelle Version des Modells, LEM IV, systematisch validiert, indem RBW-Vorhersagen für Zellüberleben mit 610 Messdatensätzen aus einer umfassenden Datenbank verglichen wurden. Diese Analyse ermöglichte eine Quantifizierung der systematischen Unterschätzung der RBW bei größeren Ionenenergien, die schon bei früheren Modellvalidierungen mit einzelnen Datensätzen beobachtet wurde. Zudem wurde das LEM weiterführend validiert, indem das Zellüberleben nach gleichzeitiger Bestrahlung mit Ionen und Photonen vorhergesagt und die Ergebnisse mit entsprechenden Messdaten verglichen wurden. Um den Ursprung der beobachteten Modellabweichungen im kritischen Hochenergiebereich zu analysieren, ist ein tieferes Verständnis der Induktion und Interaktion von DNA-Schäden erforderlich. Im LEM basiert die Effektberechnung nach Bestrahlung auf der räumlichen Verteilung von Doppelstrangbrüchen (DSBs) in der DNA. Zur Bestimmung der DSB-Verteilung in einer Ionenspur wird die Anzahl der pro Dosiseinheit induzierten DSB aus Messungen mit Photonen übernommen, wobei sich die Dosis in diesem Zusammenhang auf Energiedepositionen in nanometergroßen Volumina bezieht. Dabei wird die vereinfachende Annahme getroffen, dass Photonen- und Ionenstrahlung die gleiche Anzahl an DSBs pro Dosiseinheit induzieren. Die DSB werden jedoch überwiegend durch Sekundärelektronen erzeugt, die von den Primärstrahlungsspezies freigesetzt werden. Darüber hinaus ist bekannt, dass niederenergetische Elektronen aufgrund der hohen Ionisationsdichten an den Enden von Elektronenspuren im Vergleich zu hochenergetischen Elektronen wirksamer sind. Da sich die Sekundärelektronenspektren für Ionen und Photonen wesentlich unterscheiden, wird entsprechend auch eine unterschiedliche Anzahl an DSB pro Dosiseinheit erwartet. In dieser Arbeit wurde dieser Unterschied quantifiziert, um die mittlere DSB-Ausbeute verschiedener Strahlungsspezies basierend auf ihren Sekundärelektronenspektren zu bestimmen. Um die mittlere Ausbeute eines solchen Spektrums beurteilen zu können, ist eine Bewertung der DSB-Ausbeute einzelner Elektronen von entscheidender Bedeutung. Dazu wurde die Wahrscheinlichkeit für eine DSB-Induktion aus der mittleren freien Weglänge zwischen zwei Ionisationen entlang einer Elektronenspur abgeleitet, wobei angenommen wurde, dass mindestens zwei Ionisationen innerhalb eines definierten Schwellenabstands erforderlich sind, um einen DSB zu induzieren. Dieses DSB-Induktionsmodell wurde anschließend erfolgreich angewendet, um die Wirksamkeit verschiedener Ionenspezies und Photonenstrahlungsarten zu bestimmen. Darüber hinaus wurde das Modell in das LEM integriert, was zu einer neuen Modellversion LEM V führte. Die detailliertere Beschreibung der DSB-Induktion in Abhängigkeit von der primären Strahlungsspezies resultierte in einer genaueren RBW-Vorhersage für Zellüberleben nach Ionenbestrahlung. Insbesondere die zuvor beobachtete Unterschätzung der RBW für höherenergetische Ionen im LEM IV wurde verbessert, was zu präziseren Effektvorhersagen nicht nur für Strahlentherapieanwendungen, sondern auch für die Bewertung des Strahlenrisikos in der Weltraumforschung, führte.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: 128, xli Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute for Condensed Matter Physics
Date Deposited: 20 Jul 2021 08:34
Last Modified: 20 Jul 2021 08:34
DOI: 10.26083/tuprints-00019157
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-191574
Referees: Scholz, PD Dr. Michael ; Drossel, Prof. Dr. Barbara
Refereed: 28 June 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/19157
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