Reduction of superficial radiation dose with bolus in passive scattering proton beam therapy

Abstract

Purpose In passive scattering proton beam therapy, scattered protons from the snout and aperture increase the superficial dose, however treatment planning systems (TPSs) based on analytic algorithms (such as Proton Convolution Superposition) are often inaccurate in this aspect. This additional dose can cause permanent alopecia or severe radiation dermatitis. This study aimed to evaluate the effect of bolus on the superficial radiation dose in passive scattering proton beam therapy.

Methods We drew a clinical target volume (CTV) and a scalp-p (phantom), and created plans using a TPS for a solid water phantom with and without bolus. We calculated the dose distribution in the established plans independently with Monte Carlo (MC) simulation and measured the actual dose distribution with an array of ion chambers and radiochromic films. To assess the clinical impact of bolus on scalp dose, we conducted independent dose verification using MC simulation in a clinical case.

Results In the solid water phantom without bolus, the calculated scalp-p volume receiving 190 cGy was 20% with TPS but 80% with MC simulation when the CTV received 200 cGy. With 2 cm bolus, this decreased from 80% to 10% in MC simulation. With the measurements, average superficial dose to the scalp-p was reduced by 5.2% when 2 cm bolus was applied. In the clinical case, the scalp-c (clinical) volume receiving 3000 cGy decreased from 74% to 63% when 2 cm bolus was applied.

Conclusion This study revealed that bolus can reduce radiation dose at the superficial body area and alleviate toxicity in passive scattering proton beam therapy.

목적 수동적 산란(passive scattering) 양성자 치료에서 스나웃(snout)과 애퍼처(aperture)에서 산란된 양성자는 체표면 방사선량을 증가시키지만, 분석 알고리즘에 기반한 치료 계획 시스템에서는 이 부분이 정확히 계산되지 않는다. 이러한 체표면 방사선량의 증가로 인해, 영구적인 탈모증이나 심한 방사선 피부염이 유발될 수 있다. 본 연구에서는 수동적 산란 양성자 치료에서 볼루스(bolus)가 체표면 방사선량에 미치는 영향을 평가하고자 한다.

방법 고체 물 팬텀에 임상 표적과 팬텀 두피를 그린 후 치료 계획 시스템을 사용하여 치료 계획을 만들었다. 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 독립적으로 선량 분포를 계산하고 이온 챔버 및 방사성 변색 필름으로 실제 선량 분포를 측정하였다. 볼루스가 두피 선량에 미치는 임상적 영향을 평가하기 위해 임상 사례에서도 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 독립적인 선량 검증을 수행하였다.

결과 임상 표적에 200 cGy를 조사했을 때, 볼루스가 없는 고체 물 팬텀에서 190 cGy를 받는 팬텀 두피의 부피는, 치료 계획 시스템에서는 20%였지만 몬테카를로 시뮬레이션에서는 80%였다. 몬테카를로 시뮬레이션에서 2cm 볼루스를 덮으면, 190 cGy를 받는 팬텀 두피의 부피가 80%에서 10%로 감소했다. 측정 결과, 팬텀 두피에 대한 평균 선량은, 2 cm 볼루스를 덮었을 때 5.2% 감소했다. 임상 사례에서 3000 cGy를 받는 임상 두피의 부피는, 2 cm 볼루스를 적용했을 때 74%에서 63%로 감소했다.

결론 본 연구는 볼루스가 체표면 방사선량을 줄이고 수동 산란 양성자 치료에서 독성을 완화할 수 있음을 보여주었다.