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    author = {Schauer, Jannis},
    title = {Ionoacoustic range verification of clinical proton beams},
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    keywords = {protonentherapie, reichweitenverifizierung, protoacoustic, ionoacoustic,},
    abstract = {Die Protonentherapie zur Bestrahlung von Tumoren hat entscheidende Vorteile gegenüber der herkömmlichen Methode mit Röntgenstrahlung. Die endliche Reichweite der Protonen mit einem Dosismaximum (Bragg-Peak) kurz vor dem Ende ihrer Reichweite ermöglicht eine höhere Dosiskonformität zum Tumor. Die Reichweitenunsicherheit der Protonen verhindert derzeit, dass die Vorteile der Protonentherapie voll ausgeschöpft werden können. Die Ionoakustik ist ein vielversprechender Ansatz, um die Reichweite der Protonen in situ zu messen und könnte eine Anpassung der Bestrahlung im Falle gemessener Abweichungen vom Bestrahlungsplan ermöglichen. Die Energiedeposition eines gepulsten Protonenstrahls erzeugt ein akustisches Signal, das nach seiner Propagation auf der Patientenoberfläche detektiert werden kann. Die Flugzeit des Signals ist ein Maß für den Abstand zwischen dem Bragg-Peak und dem akustischen Detektor. Diese Information kann auf elegante Weise mit einem Ultraschallbild kombiniert werden, sodass die Position des Bragg-Peaks relativ zur Anatomie des Patienten ausgewertet werden kann. Ziel der vorliegenden Arbeit war der Nachweis von ionoakustischen Signalen bei Bestrahlungsdosen, die typische Bestrahlungsdosen in einer Fraktion von etwa 2Gy nicht überschreiten. Ionoakustische Signale von 20MeV-Protonen wurden in einem Wasserphantom mit unterschiedlichen Pulsdauern und Strahlströmen gemessen. Die Signale wurden mit Hilfe eines Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR_D) miteinander verglichen, das eine bestimmte Dosisgrenze berücksichtigt. Es wurde ein Signalverarbeitungsfilter entwickelt, der das SNR_D der Signale durch Korrelation mit einer simulierten Filterfunktion (Template) um einen Faktor 3-6 erhöht. Es wurde festgestellt, dass ein optimaler SNR_D bei Verwendung des maximal verfügbaren instantanen Strahlstroms erzielt wird. Die ideale Pulsdauer nimmt mit zunehmender Energie zu, und bei Pulsen, die die ideale Dauer überschreiten, ist es ratsam, den Puls in mehrere Pulse idealer Dauer aufzuteilen und anschließend die entsprechenden Signale zu mitteln. Die Ergebnisse wurden in einem Folgeexperiment am Centre-Antoine-Lacassagne (CAL), einem klinischen Protonentherapiezentrum in Nizza, Frankreich, angewandt. Ionoakustische Signale wurden auf der hautähnlichen Oberfläche eines anthropomorphen Abdominalphantoms mit einem Sensor gemessen, der starr an einer Ultraschallsonde befestigt war. Durch Anwendung des Korrelationsfilters auf die akustischen Signale, welche von einem einzelnen Protonen Pencilbeam erzeugt wurden, konnte eine stabile Flugzeit bei einer Dosis von 1,2Gy am Bragg-Peak bestimmt werden. Nach Auswertung von 48 unabhängigen Messungen wurde eine statistische Unsicherheit bezüglich der Position des Bragg-Peaks von etwa 0,5mm festgestellt. Mit Hilfe einer einzigen Kalibrierungsmessung unter Verwendung eines optoakustischen Aufbaus wurde die aus dem ionoakustischen Signal gewonnene Flugzeit verwendet, um die entsprechende Bragg-Peak-Position im Ultraschallbild relativ zur Anatomie des Phantoms robust zu markieren. Der Abstand zwischen der ausgewerteten Bragg-Peak-Position und der erwarteten Bragg-Peak-Position, welche durch eine Bestrahlungsplanung festgelegt wurde, beträgt 1,1mm±0,5mm und ist damit kleiner als die Reichweitenunsicherheit, die Protonen bei der gegebenen Eindringtiefe von 4mm üblicherweise in einem klinischen Kontext zugeordnet wird. 
Die Messungen zeigen, dass die Ionoakustik die Möglichkeit einer Verifizierung der Reichweite im Submillimeterbereich in einer klinischen Umgebung bietet. Die ausgewertete Flugzeit kann nicht nur zur Messung der Entfernungsvariation verwendet werden, sondern lässt sich auch elegant mit einem Ultraschallgerät kombinieren, das die absolute Bragg-Peak-Lokalisierung durchführt. Die Möglichkeit, die Position des Bragg-Peaks in einem Ultraschallbild relativ zur Anatomie des Patienten zu bewerten, bietet die Möglichkeit, eine adaptive Tumorbestrahlung auf der Grundlage ionoakustischer Messungen durchzuführen und so den Nutzen der Protonentherapie zu erhöhen.},
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    school = {Universität der Bundeswehr München},
    
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