Accelerated protons are excellent candidates for treating several types of tumours. Such charged particles stop at a defined depth, where their ionisation density is maximum. As the dose deposit beyond this distal edge is very low, proton therapy minimises the damage to normal tissue compared to photon therapy. Nonetheless, inherent range uncertainties cast doubts on the irradiation of tumours close to organs at risk and lead to the application of conservative safety margins. This constrains significantly the potential benefits of proton over photon therapy and limits its ultimate aspirations. Prompt gamma rays, a by-product of the irradiation that is correlated to the dose deposition, are reliable signatures for the detection of range deviations and even for three-dimensional in vivo dosimetry. In this work, two methods for Prompt Gamma-ray Imaging (PGI) are investigated: the Compton camera (Cc) and the Prompt Gamma-ray Timing (PGT). Their applicability in a clinical scenario is discussed and compared. The first method aspires to reconstruct the prompt gamma ray emission density map based on an iterative imaging algorithm and multiple position sensitive gamma ray detectors. These are arranged in scatterer and absorber plane. The second method has been recently proposed as an alternative to collimated PGI systems and relies on timing spectroscopy with a single monolithic detector. The detection times of prompt gamma rays encode essential information about the depth-dose profile as a consequence of the measurable transit time of ions through matter. At Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) and OncoRay, detector components are characterised in realistic radiation environments as a step towards a clinical Cc. Conventional block detectors deployed in commercial Positron Emission Tomography (PET) scanners, made of Cerium-doped lutetium oxyorthosilicate - Lu2SiO5:Ce (LSO) or Bismuth Germanium Oxide - Bi4Ge3O12 (BGO) scintillators, are suitable candidates for the absorber of a Cc due to their high density and absorption efficiency with respect to the prompt gamma ray energy range (several MeV). LSO and BGO block detectors are compared experimentally in clinically relevant radiation fields in terms of energy, spatial and time resolution. On a different note, two BGO block detectors (from PET scanners), arranged as the BGO block Compton camera (BbCc), are deployed for simple imaging tests with high energy prompt gamma rays produced in homogeneous Plexiglas targets by a proton pencil beam. The rationale is to maximise the detection efficiency in the scatterer plane despite a moderate energy resolution. Target shifts, increase of the target thickness and beam energy variation experiments are conducted. Concerning the PGT concept, in a collaboration among OncoRay, HZDR and IBA, the first test at a clinical proton accelerator (Westdeutsches Protonentherapiezentrum Essen) with several detectors and heterogeneous phantoms is performed. The sensitivity of the method to range shifts is investigated, the robustness against background and stability of the beam bunch time profile is explored, and the bunch time spread is characterised for different proton energies. With respect to the material choice for the absorber of the Cc, the BGO scintillator closes the gap with respect to the brighter LSO. The reason behind is the high energies of prompt gamma rays compared to the PET scenario, which increase significantly the energy, spatial and time resolution of BGO. Regarding the BbCc, shifts of a point-like radioactive source are correctly detected, line sources are reconstructed, and one centimetre proton range deviations are identified based on the evident changes of the back projection images. Concerning the PGT experiments, for clinically relevant doses, range differences of five millimetres in defined heterogeneous targets are identified by numerical comparison of the spectrum shape. For higher statistics, range shifts down to two millimetres are detectable. Experimental data are well reproduced by analytical modelling. The Cc and the PGT are ambitious approaches for range verification in proton therapy based on PGI. Intensive detector characterisation and tests in clinical facilities are mandatory for developing robust prototypes, since the energy range of prompt gamma rays spans over the MeV region, not used traditionally in medical applications. Regarding the material choice for the Cc: notwithstanding the overall superiority of LSO, BGO catches up in the field of PGI. It can be considered as a competitive alternative to LSO for the absorber plane due to its lower price, higher photoabsorption efficiency, and the lack of intrinsic radioactivity. The results concerning the BbCc, obtained with relatively simple means, highlight the potential application of Compton cameras for high energy prompt gamma ray imaging. Nevertheless, technical constraints like the low statistics collected per pencil beam spot (if clinical currents are used) question their applicability as a real-time and in vivo range verification method in proton therapy. The PGT is an alternative approach, which may have faster translation into clinical practice due to its lower price and higher efficiency. A proton bunch monitor, higher detector throughput and quantitative range retrieval are the upcoming steps towards a clinically applicable prototype, that may detect significant range deviations for the strongest beam spots. The experimental results emphasise the prospects of this straightforward verification method at a clinical pencil beam and settle this novel approach as a promising alternative in the field of in vivo dosimetry. / Beschleunigte Protonen sind ausgezeichnete Kandidaten für die Behandlung von diversen Tumorarten. Diese geladenen Teilchen stoppen in einer bestimmten Tiefe, bei der die Ionisierungsdichte maximal ist. Da die deponierte Dosis hinter der distalen Kante sehr klein ist, minimiert die Protonentherapie den Schaden an normalem Gewebe verglichen mit der Photonentherapie. Inhärente Reichweitenunsicherheiten stellen jedoch die Bestrahlung von Tumoren in der Nähe von Risikoorganen in Frage und führen zur Anwendung von konservativen Sicherheitssäumen. Dadurch werden die potentiellen Vorteile der Protonen- gegenüber der Photonentherapie sowie ihre letzten Ziele eingeschränkt. Prompte Gammastrahlung, ein Nebenprodukt der Bestrahlung, welche mit der Dosisdeposition korreliert, ist eine zuverlässige Signatur um Reichweitenunterschiede zu detektieren und könnte sogar für eine dreidimensionale in vivo Dosimetrie genutzt werden. In dieser Arbeit werden zwei Methoden für Prompt Gamma-ray Imaging (PGI) erforscht: die Compton-Kamera (CK) und das Prompt Gamma-ray Timing (PGT)-Konzept. Des Weiteren soll deren Anwendbarkeit im klinischen Szenario diskutiert und verglichen werden. Die erste Methode strebt nach der Rekonstruktion der Emissionsdichtenverteilung der prompten Gammastrahlung und basiert auf einem iterativen Bildgebungsalgorithmus sowie auf mehreren positionsempfindlichen Detektoren. Diese werden in eine Streuer- und Absorberebene eingeteilt. Die zweite Methode ist vor Kurzem als eine Alternative zu kollimierten PGI Systemen vorgeschlagen worden, und beruht auf dem Prinzip der Zeitspektroskopie mit einem einzelnen monolithischen Detektor. Die Detektionszeiten der prompten Gammastrahlen beinhalten entscheidende Informationen über das Tiefendosisprofil aufgrund der messbaren Durchgangszeit von Ionen durch Materie. Am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) und OncoRay werden Detektorkomponenten in realistischen Strahlungsumgebungen als ein Schritt zur klinischen CK charakterisiert. Konventionelle Blockdetektoren, welche in kommerziellen Positronen-Emissions-Tomographie (PET)-Scannern zum Einsatz kommen und auf Cer dotiertem Lutetiumoxyorthosilikat - Lu2SiO5:Ce (LSO) oder Bismutgermanat - Bi4Ge3O12 (BGO) Szintillatoren basieren, sind geeignete Kandidaten für den Absorber einer CK wegen der hohen Dichte und Absorptionseffizienz im Energiebereich von prompten Gammastrahlen (mehrere MeV). LSO- und BGO-Blockdetektoren werden in klinisch relevanten Strahlungsfeldern in Bezug auf Energie-, Orts- und Zeitauflösung verglichen. Weiterhin werden zwei BGO-Blockdetektoren (von PET-Scannern), angeordnet als BGO Block Compton-Kamera (BBCK), benutzt, um die Bildgebung von hochenergetischen prompten Gammastrahlen zu untersuchen, die in homogenen Plexiglas-Targets durch einen Protonen-Bleistiftstrahl emittiert werden. Die Motivation hierfür ist, die Detektionseffizienz der Streuerebene zu maximieren, wobei jedoch die Energieauflösung vernachlässigt wird. Targetverschiebungen, sowie Änderungen der Targetdicke und der Teilchenenergie werden untersucht. In einer Kollaboration zwischen OncoRay, HZDR and IBA, wird der erste Test des PGT-Konzepts an einem klinischen Protonenbeschleuniger (Westdeutsches Protonentherapiezentrum Essen) mit mehreren Detektoren und heterogenen Phantomen durchgeführt. Die Sensitivität der Methode hinsichtlich Reichweitenveränderungen wird erforscht. Des Weiteren wird der Einfluss von Untergrund und Stabilität des Zeitprofils des Strahlenbündels untersucht, sowie die Zeitverschmierung des Bündels für verschiedene Protonenenergien charakterisiert. Für die Materialauswahl für den Absorber der CK ergibt sich, dass sich BGO dem lichtstärkeren LSO Szintillator angleicht. Der Grund dafür sind die höheren Energien der prompten Gammastrahlung im Vergleich zum PET Szenario, welche die Energie-, Orts- und Zeitauflösung von BGO stark verbessern. Anhand von offensichtlichen Änderungen der Rückprojektionsbilder zeigt sich, dass mit der BBCK Verschiebungen einer punktförmigen radioaktiven Quelle erfolgreich detektiert, Linienquellen rekonstruiert und Verschiebungen der Protonenreichweite um einen Zentimeter identifiziert werden. Für die PGT-Experimente können mit einem einzigen Detektor Reichweitenunterschiede von fünf Millimetern für definierte heterogene Targets bei klinisch relevanten Dosen detektiert werden. Dies wird durch den numerischen Vergleich der Spektrumform ermöglicht. Bei größerer Ereigniszahl können Reichweitenunterschiede von bis zu zwei Millimetern detektiert werden. Die experimentellen Daten werden durch analytische Modellierung wiedergegeben. Die CK und das PGT-Konzept sind ambitionierte Ansätze zur Verifizierung der Reichweite in der Protonentherapie basierend auf PGI. Intensive Detektorcharakterisierung und Tests an klinischen Einrichtungen sind Pflicht für die Entwicklung geeigneter Prototypen, da der Energiebereich prompter Gammastrahlung sich über mehrere MeV erstreckt, was nicht dem Normbereich der traditionellen medizinischen Anwendungen entspricht. Im Bezug auf die Materialauswahl der CK wird ersichtlich, dass BGO trotz der allgemeinen Überlegenheit von LSO für die Anwendung im Bereich PGI aufholt. Wegen des niedrigeren Preises, der höheren Photoabsorptionseffizienz und der nicht vorhandenen Eigenaktivität erscheint BGO als eine konkurrenzfähige Alternative für die Absorberebene der CK im Vergleich zu LSO. Die Ergebnisse der BBCK, welche mit relativ einfachen Mitteln gewonnen werden, heben die potentielle Anwendung von Compton-Kameras für die Bildgebung prompter hochenergetischer Gammastrahlen hervor. Trotzdem stellen technische Beschränkungen wie die mangelnde Anzahl von Messereignissen pro Bestrahlungspunkt (falls klinische Ströme genutzt werden) die Anwendbarkeit der CK als Echtzeit- und in vivo Reichweitenverifikationsmethode in der Protonentherapie in Frage. Die PGT-Methode ist ein alternativer Ansatz, welcher aufgrund der geringeren Kosten und der höheren Effizienz eine schnellere Umsetzung in die klinische Praxis haben könnte. Ein Protonenbunchmonitor, höherer Detektordurchsatz und eine quantitative Reichweitenrekonstruktion sind die weiteren Schritte in Richtung eines klinisch anwendbaren Prototyps, der signifikante Reichweitenunterschiede für die stärksten Bestrahlungspunkte detektieren könnte. Die experimentellen Ergebnisse unterstreichen das Potential dieser Reichweitenverifikationsmethode an einem klinischen Bleistiftstrahl und lassen diesen neuartigen Ansatz als eine vielversprechende Alternative auf dem Gebiet der in vivo Dosimetrie erscheinen.

Background The finite range of a proton beam in tissue and the corresponding steep distal dose gradient near the end of the particle track open new vistas for the delivery of a highly target-conformal dose distribution in radiation therapy. Compared to a classical photon treatment, the potential therapeutic benefit of a particle treatment is a significant dose reduction in the tumor-surrounding tissue at a comparable dose level applied to the tumor. Motivation The actually applied particle range, and therefor the dose deposition in the target volume, is quite sensitive to the tissue composition in the path of the protons. Particle treatments are planned via computed tomography images, acquired prior to the treatment. The conversion from photon stopping power to proton stopping power induces an important source of range-uncertainty. Furthermore, anatomical deviations from planning situation affect the accurate dose deposition. Since there is no clinical routine measurement of the actually applied particle range, treatments are currently planned to be robust in favor of optimal regarding the dose delivery. Robust planning incorporates the application of safety margins around the tumor volume as well as the usage of (potentially) unfavorable field directions. These pretreatment safety procedures aim to secure dose conformality in the tumor volume, however at the price of additional dose to the surrounding tissue. As a result, the unverified particle range constraints the principle benefit of proton therapy. An on-line, in-vivo range-verification would therefore bring the potential of particle therapy much closer to the daily clinical routine. Materials and methods This work contributes to the field of in-vivo treatment verification by the methodical investigation of range assessment via the detection of prompt gamma-rays, a side product emitted due to proton-tissue interaction. In the first part, the concept of measuring the spatial prompt gamma-ray emission profile with a Compton camera is investigated with a prototype system consisting of a CdZnTe cross strip detector as scatter plane and three side-by-side arranged, segmented BGO block detectors as absorber planes. In the second part, the novel method of prompt gamma-ray timing (PGT) is introduced. This technique has been developed in the scope of this work and a patent has been applied for. The necessary physical considerations for PGT are outlined and the feasibility of the method is supported with first proof-of-principle experiments. Results Compton camera: Utilizing a 22-Na source, the feasibility of reconstructing the emission scene of a point source at 1.275 MeV was verified. Suitable filters on the scatter-absorber coincident timing and the respective sum energy were defined and applied to the data. The source position and corresponding source displacements could be verified in the reconstructed Compton images. In a next step, a Compton imaging test at 4.44 MeV photon energy was performed. A suitable test setup was identified at the Tandetron accelerator at the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, Germany. This measurement setup provided a monoenergetic, point-like source of 4.44 MeV gamma-rays, that was nearly free of background. Here, the absolute gamma-ray yield was determined. The Compton imaging prototype was tested at the Tandetron regarding (i) the energy resolution, timing resolution, and spatial resolution of the individual detectors, (ii) the imaging capabilities of the prototype at 4.44 MeV gamma-ray energy and (iii) the Compton imaging efficiency. In a Compton imaging test, the source position and the corresponding source displacements were verified in the reconstructed Compton images. Furthermore, via the quantitative gamma-ray emission yield, the Compton imaging efficiency at 4.44 MeV photon energy was determined experimentally. PGT: The concept of PGT was developed and introduced to the scientific community in the scope of this thesis. A theoretical model for PGT was developed and outlined. Based on the theoretical considerations, a Monte Carlo (MC) algorithm, capable of simulating PGT distributions was implemented. At the KVI-CART proton beam line in Groningen, The Netherlands, time-resolved prompt gamma-ray spectra were recorded with a small scale, scintillator based detection system. The recorded data were analyzed in the scope of PGT and compared to the measured data, yielding in an excellent agreement and thus verifying the developed theoretical basis. For a hypothetical PGT imaging setup at a therapeutic proton beam it was shown, that the statistical error on the range determination could be reduced to 5 mm at a 90 % confidence level for a single spot of 5x10E8 protons. Conclusion Compton imaging and PGT were investigated as candidates for treatment verification, based on the detection of prompt gamma-rays. The feasibility of Compton imaging at photon energies of several MeV was proven, which supports the approach of imaging high energetic prompt $gamma$-rays. However, the applicability of a Compton camera under therapeutic conditions was found to be questionable, due to (i) the low device detection efficiency and the corresponding limited number of valid events, that can be recorded within a single treatment and utilized for image reconstruction, and (ii) the complexity of the detector setup and attached readout electronics, which make the development of a clinical prototype expensive and time consuming. PGT is based on a simple time-spectroscopic measurement approach. The collimation-less detection principle implies a high detection efficiency compared to the Compton camera. The promising results on the applicability under treatment conditions and the simplicity of the detector setup qualify PGT as method well suited for a fast translation towards a clinical trial. / Hintergrund Strahlentherapie ist eine wichtige Modalität der therapeutischen Behandlung von Krebs. Das Ziel dieser Behandlungsform ist die Applikation einer bestimmten Strahlendosis im Tumorvolumen, wobei umliegendes, gesundes Gewebe nach Möglichkeit geschont werden soll. Bei der Bestrahlung mit einem hochenergetischen Protonenstrahl erlaubt die wohldefinierte Reichweite der Teilchen im Gewebe, in Kombination mit dem steilen, distalen Dosisgradienten, eine hohe Tumor-Konformalität der deponierten Dosis. Verglichen mit der klassisch eingesetzten Behandlung mit Photonen ergibt sich für eine optimiert geplante Behandlung mit Protonen ein deutlich reduziertes Dosisnivau im den Tumor umgebenden Gewebe. Motivation Die tatsächlich applizierte Reichweite der Protonen im Körper, und somit auch die lokal deponierte Dosis, ist stark abhängig vom Bremsvermögen der Materie im Strahlengang der Protonen. Bestrahlungspläne werden mit Hilfe eines Computertomographen (CT) erstellt, wobei die CT Bilder vor der eigentlichen Behandlung aufgenommen werden. Ein CT misst allerdings lediglich den linearen Schwächungskoeffizienten für Photonen in der Einheit Hounsfield Units (HU). Die Ungenauigkeit in der Umrechnung von HU in Protonen-Bremsvermögen ist, unter anderem, eine wesentliche Ursache für die Unsicherheit über die tatsächliche Reichweite der Protonen im Körper des Patienten. Derzeit existiert keine routinemäßige Methode, um die applizierte Dosis oder auch die Protonenreichweite in-vivo und in Echtzeit zu bestimmen. Um das geplante Dosisniveau im Tumorvolumen trotz möglicher Reichweiteunterschiede zu gewährleisten, werden die Bestrahlungspläne für Protonen auf Robustheit optimiert, was zum Einen das geplante Dosisniveau im Tumorvolumen trotz auftretender Reichweiteveränderungen sicherstellen soll, zum Anderen aber auf Kosten der möglichen Dosiseinsparung im gesunden Gewebe geht. Zusammengefasst kann der Hauptvorteil einer Therapie mit Protonen wegen der Unsicherheit über die tatsächlich applizierte Reichweite nicht wirklich realisiert. Eine Methode zur Bestimmung der Reichweite in-vivo und in Echtzeit wäre daher von großem Nutzen, um das theoretische Potential der Protonentherapie auch in der praktisch ausschöpfen zu können. Material und Methoden In dieser Arbeit werden zwei Konzepte zur Messung prompter Gamma-Strahlung behandelt, welche potentiell zur Bestimmung der Reichweite der Protonen im Körper eingesetzt werden können. Prompte Gamma-Strahlung entsteht durch Proton-Atomkern-Kollision auf einer Zeitskala unterhalb von Picosekunden entlang des Strahlweges der Protonen im Gewebe. Aufgrund der prompten Emission ist diese Form der Sekundärstrahlung ein aussichtsreicher Kandidat für eine Bestrahlungs-Verifikation in Echtzeit. Zum Einen wird die Anwendbarkeit von Compton-Kameras anhand eines Prototyps untersucht. Dabei zielt die Messung auf die Rekonstruktion des örtlichen Emissionsprofils der prompten Gammas ab. Zum Zweiten wird eine, im Rahmen dieser Arbeit neu entwickelte Messmethode, das Prompt Gamma-Ray Timing (PGT), vorgestellt und international zum Patent angemeldet. Im Gegensatz zu bereits bekannten Ansätzen, verwendet PGT die endliche Flugzeit der Protonen durch das Gewebe und bestimmt zeitliche Emissionsprofile der prompten Gammas. Ergebnisse Compton Kamera: Die örtliche Emissionsverteilung einer punktförmigen 22-Na Quelle wurde wurde bei einer Photonenenergie von 1.275 MeV nachgewiesen. Dabei konnten sowohl die absolute Quellposition als auch laterale Verschiebungen der Quelle rekonstruiert werden. Da prompte Gamma-Strahlung Emissionsenergien von einigen MeV aufweist, wurde als nächster Schritt ein Bildrekonstruktionstest bei 4.44 MeV durchgeführt. Ein geeignetes Testsetup wurde am Tandetron Beschleuniger am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, Deutschland, identifiziert, wo eine monoenergetische, punktförmige Emissionverteilung von 4.44 MeV Photonen erzeugt werden konnte. Für die Detektoren des Prototyps wurden zum Einen die örtliche und zeitliche Auflösung sowie die Energieauflösungen untersucht. Zum Anderen wurde die Emissionsverteilung der erzeugten 4.44 MeV Quelle rekonstruiert und die zugehörige Effizienz des Prototyps experimentell bestimmt. PGT: Für das neu vorgeschlagene Messverfahren PGT wurden im Rahmen dieser Arbeit die theoretischen Grundlagen ausgearbeitet und dargestellt. Darauf basierend, wurde ein Monte Carlo (MC) Code entwickelt, welcher die Modellierung von PGT Spektren ermöglicht. Am Protonenstrahl des Kernfysisch Verschneller Institut (KVI), Groningen, Niederlande, wurden zeitaufgelöste Spektren prompter Gammastrahlung aufgenommen und analysiert. Durch einen Vergleich von experimentellen und modellierten Daten konnte die Gültigkeit der vorgelegten theoretischen Überlegungen quantitativ bestätigt werden. Anhand eines hypothetischen Bestrahlungsszenarios wurde gezeigt, dass der statistische Fehler in der Bestimmung der Reichweite mit einer Genauigkeit von 5 mm bei einem Konfidenzniveau von 90 % für einen einzelnen starken Spot 5x10E8 Protonen mit PGT erreichbar ist. Schlussfolgerungen Für den Compton Kamera Prototyp wurde gezeigt, dass eine Bildgebung für Gamma-Energien einiger MeV, wie sie bei prompter Gammastrahlung auftreten, möglich ist. Allerdings erlaubt die prinzipielle Abbildbarkeit noch keine Nutzbarkeit unter therapeutischen Strahlbedingungen nicht. Der wesentliche und in dieser Arbeit nachgewiesene Hinderungsgrund liegt in der niedrigen (gemessenen) Nachweiseffizienz, welche die Anzahl der validen Daten, die für die Bildrekonstruktion genutzt werden können, drastisch einschränkt. PGT basiert, im Gegensatz zur Compton Kamera, auf einem einfachen zeit-spektroskopischen Messaufbau. Die kollimatorfreie Messmethode erlaubt eine gute Nachweiseffizienz und kann somit den statistischen Fehler bei der Reichweitenbestimmung auf ein klinisch relevantes Niveau reduzieren. Die guten Ergebnissen und die ausgeführten Abschätzungen für therapeutische Bedingungen lassen erwarten, dass PGT als Grundlage für eine Bestrahlungsverifiktation in-vivo und in Echtzeit zügig klinisch umgesetzt werden kann.

L'hadronthérapie est l'une des modalités disponibles pour traiter le cancer. Cette modalité utilise des ions légers (protons, ions carbone) pour détruire les cellules cancéreuses. De telles particules ont une précision balistique de par leur trajectoire quasi-rectiligne, leur parcours fini et le profil de dose maximum en fin de parcours, ce qui permet, par rapport à la radiothérapie conventionnelle, d'épargner les tissus sains situés à côté, en aval et en amont de la tumeur. L'un des enjeux de l'assurance qualité de cette modalité est le contrôle du positionnement de la dose déposée par les ions dans le patient. Une possibilité pour effectuer ce contrôle est d'observer les gammas prompts émis lors des réactions nucléaires induites le long du parcours des ions dans le patient. Un prototype de caméra Compton, permettant théoriquement de maximiser l'efficacité de détection des gammas prompts, est actuellement développé dans une collaboration régionale. Mon travail de thèse s'est axé autour de cette caméra et plus particulièrement sur les points suivants : i) étudier par les simulations Monte Carlo le fonctionnement du prototype en cours de construction, notamment en regard des taux de comptage attendus sur les différents types d'accélérateurs en hadronthérapie, ii) mener des études de simulation sur l'utilisation de cette caméra en imagerie clinique, iii) caractériser les détecteurs silicium du diffuseur, iv) confronter les simulations entreprises sur la réponse de la caméra avec des mesures sur faisceau à l'aide d'un démonstrateur. Il résulte que le prototype de caméra Compton développé rend possible un contrôle de la localisation du dépôt de dose en protonthérapie à l'échelle d'un spot, à condition que l'intensité clinique du faisceau de protons soit diminuée d'un facteur 200 (intensité de 108 protons/s). Une application de la caméra Compton en médecine nucléaire semble réalisable avec l'utilisation de radioisotopes d'énergie supérieure à 300 keV. Ces premiers résultats doivent être confirmés par des simulations plus réalistes (cibles de PMMA homogènes et hétérogènes). Des tests avec l'intégration progressive de tous les éléments de la caméra vont avoir lieu courant 2016 / Hadrontherapy is one of the modalities available for treating cancer. This modality uses light ions (protons, carbon ions) to destroy cancer cells. Such particles have a ballistic accuracy thanks to their quasi-rectilinear trajectory, their path and the finished profile maximum dose in the end. Compared to conventional radiotherapy, this allows to spare the healthy tissue located adjacent downstream and upstream of the tumor. One of this modality’s quality assurance challenges is to control the positioning of the dose deposited by ions in the patient. One possibility to perform this control is to detect the prompt gammas emitted during nuclear reactions induced along the ion path in the patient. A Compton camera prototype, theoretically allowing to maximize the detection efficiency of the prompt gammas, is being developed under a regional collaboration. This camera was the main focus of my thesis, and particularly the following points : i) studying, throughout Monte Carlo simulations, the operation of the prototype in construction, particularly with respect to the expected counting rates on the different types of accelerators in hadrontherapy ii) conducting simulation studies on the use of this camera in clinical imaging, iii) characterising the silicon detectors (scatterer) iv) confronting Geant4 simulations on the camera’s response with measurements on the beam with the help of a demonstrator. As a result, the Compton camera prototype developed makes a control of the localization of the dose deposition in proton therapy to the scale of a spot possible, provided that the intensity of the clinical proton beam is reduced by a factor 200 (intensity of 108 protons / s). An application of the Compton camera in nuclear medicine seems to be attainable with the use of radioisotopes of an energy greater than 300 keV. These initial results must be confirmed by more realistic simulations (homogeneous and heterogeneous PMMA targets). Tests with the progressive integration of all camera elements will take place during 2016

L'hadronthérapie est une méthode de traitement du cancer qui emploie des ions (carbone ou proton) au lieu des rayons X. Les interactions entre le faisceau et le patient produisent des radiations secondaires. Il existe une corrélation entre la position d'émission de certaines de ces particules et la position du pic de Bragg. Parmi ces particules, des gamma-prompt sont produits par les fragments nucléaires excités et des travaux actuels ont pour but de concevoir des systèmes de tomographie par émission mono-photonique capable d'imager la position d'émission ces radiations en temps réel, avec une précision millimétrique, malgré le faible nombre de données acquises. Bien que ce ne soit pas actuellement possible, le but in fine est de surveiller le dépôt de dose. La caméra Compton est un des système TEMP qui a été proposé pour imager ce type de particules, car elle offre une meilleure résolution énergétique et la possibilité d'avoir une image 3D. Cependant, en pratique l'acquisition est affectée par le bruit provenant d'autres particules secondaires, et les algorithmes de reconstruction des images Compton sont plus compliqués et encore peu aboutis, mais sur une bonne voie de développement. Dans le cadre de cette thèse, nous avons développé une chaîne complète allant de la simulation de l'irradiation d'un fantôme par un faisceau de protons allant jusqu'à la reconstruction tomographique des images obtenues à partir de données acquises par la caméra Compton. Nous avons étudié différentes méthodes de reconstruction analytiques et itératives, et nous avons développé une méthode de reconstruction itérative capable de prendre en compte les incertitudes de mesure sur l'énergie. Enfin nous avons développé des méthodes pour la détection de la fin du parcours des distributions gamma-prompt reconstruites. / Hadrontherapy is a cancer treatment method which uses ions (proton or carbon) instead of X-rays. Interactions between the beam and the patient produce secondary radiation. It has been shown that there is a correlation between the emission position of some of these particles and the Bragg peak position. Among these particles, prompt-gamma are produced by excited nuclear fragments and current work aims to design SPECT systems able to image the emission position the radiation in real time, with a millimetric precision, despite the low data statistic. Although it is not currently possible, the goal is to monitor the deposited dose. The Compton camera is a SPECT system that proposed for imaging such particles, because it offers a good energy resolution and the possibility of a 3D imaging. However, in practice the acquisition is affected by noise from other secondary particles and the reconstruction algorithms are more complex and not totally completed, but the developments are well advanced. In this thesis, we developed a complete process from the simulation of irradiation of a phantom by a proton beam up to the tomographic reconstruction of images obtained from data acquired by the Compton camera. We studied different reconstruction methods (analytical and iterative), and we have developed an iterative method able to consider the measurement uncertainties on energy. Finally we developed methods to detect the end-of-range of the reconstructed prompt-gamma distributions.

Accelerated protons are excellent candidates for treating several types of tumours. Such charged particles stop at a defined depth, where their ionisation density is maximum. As the dose deposit beyond this distal edge is very low, proton therapy minimises the damage to normal tissue compared to photon therapy. Nonetheless, inherent range uncertainties cast doubts on the irradiation of tumours close to organs at risk and lead to the application of conservative safety margins. This constrains significantly the potential benefits of proton over photon therapy and limits its ultimate aspirations. Prompt gamma rays, a by-product of the irradiation that is correlated to the dose deposition, are reliable signatures for the detection of range deviations and even for three-dimensional in vivo dosimetry. In this work, two methods for Prompt Gamma-ray Imaging (PGI) are investigated: the Compton camera (Cc) and the Prompt Gamma-ray Timing (PGT). Their applicability in a clinical scenario is discussed and compared. The first method aspires to reconstruct the prompt gamma ray emission density map based on an iterative imaging algorithm and multiple position sensitive gamma ray detectors. These are arranged in scatterer and absorber plane. The second method has been recently proposed as an alternative to collimated PGI systems and relies on timing spectroscopy with a single monolithic detector. The detection times of prompt gamma rays encode essential information about the depth-dose profile as a consequence of the measurable transit time of ions through matter. At Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) and OncoRay, detector components are characterised in realistic radiation environments as a step towards a clinical Cc. Conventional block detectors deployed in commercial Positron Emission Tomography (PET) scanners, made of Cerium-doped lutetium oxyorthosilicate - Lu2SiO5:Ce (LSO) or Bismuth Germanium Oxide - Bi4Ge3O12 (BGO) scintillators, are suitable candidates for the absorber of a Cc due to their high density and absorption efficiency with respect to the prompt gamma ray energy range (several MeV). LSO and BGO block detectors are compared experimentally in clinically relevant radiation fields in terms of energy, spatial and time resolution. On a different note, two BGO block detectors (from PET scanners), arranged as the BGO block Compton camera (BbCc), are deployed for simple imaging tests with high energy prompt gamma rays produced in homogeneous Plexiglas targets by a proton pencil beam. The rationale is to maximise the detection efficiency in the scatterer plane despite a moderate energy resolution. Target shifts, increase of the target thickness and beam energy variation experiments are conducted. Concerning the PGT concept, in a collaboration among OncoRay, HZDR and IBA, the first test at a clinical proton accelerator (Westdeutsches Protonentherapiezentrum Essen) with several detectors and heterogeneous phantoms is performed. The sensitivity of the method to range shifts is investigated, the robustness against background and stability of the beam bunch time profile is explored, and the bunch time spread is characterised for different proton energies. With respect to the material choice for the absorber of the Cc, the BGO scintillator closes the gap with respect to the brighter LSO. The reason behind is the high energies of prompt gamma rays compared to the PET scenario, which increase significantly the energy, spatial and time resolution of BGO. Regarding the BbCc, shifts of a point-like radioactive source are correctly detected, line sources are reconstructed, and one centimetre proton range deviations are identified based on the evident changes of the back projection images. Concerning the PGT experiments, for clinically relevant doses, range differences of five millimetres in defined heterogeneous targets are identified by numerical comparison of the spectrum shape. For higher statistics, range shifts down to two millimetres are detectable. Experimental data are well reproduced by analytical modelling. The Cc and the PGT are ambitious approaches for range verification in proton therapy based on PGI. Intensive detector characterisation and tests in clinical facilities are mandatory for developing robust prototypes, since the energy range of prompt gamma rays spans over the MeV region, not used traditionally in medical applications. Regarding the material choice for the Cc: notwithstanding the overall superiority of LSO, BGO catches up in the field of PGI. It can be considered as a competitive alternative to LSO for the absorber plane due to its lower price, higher photoabsorption efficiency, and the lack of intrinsic radioactivity. The results concerning the BbCc, obtained with relatively simple means, highlight the potential application of Compton cameras for high energy prompt gamma ray imaging. Nevertheless, technical constraints like the low statistics collected per pencil beam spot (if clinical currents are used) question their applicability as a real-time and in vivo range verification method in proton therapy. The PGT is an alternative approach, which may have faster translation into clinical practice due to its lower price and higher efficiency. A proton bunch monitor, higher detector throughput and quantitative range retrieval are the upcoming steps towards a clinically applicable prototype, that may detect significant range deviations for the strongest beam spots. The experimental results emphasise the prospects of this straightforward verification method at a clinical pencil beam and settle this novel approach as a promising alternative in the field of in vivo dosimetry.:1 Introduction 1.1 Proton therapy 1.1.1 The beginnings 1.1.2 Essential features 1.1.3 Advantages and drawbacks 1.2 Range uncertainties and their consequences 1.3 Range verification methods 1.4 Prompt gamma-ray imaging 1.4.1 Passive collimation 1.4.2 Active collimation 1.4.3 Correlation to dose 1.5 Aim of this work 2 Compton camera 2.1 Theoretical background 2.1.1 Compton formula and Klein-Nishina cross section 2.1.2 Detection principle 2.1.3 Intersection of cone surface and plane 2.1.4 Practical considerations 2.2 Motivation 2.3 Goals 2.4 Materials 2.4.1 Scintillator properties 2.4.2 Block detector properties 2.4.3 Electronics and data acquisition 2.4.4 High efficiency Compton camera setup 2.5 Experimental setup 2.5.1 Accelerators 2.5.2 Detector setup 2.5.3 Trigger regime 2.6 Methods 2.6.1 Energy calibration 2.6.2 Spatial calibration 2.6.3 Time calibration 2.6.4 Error analysis 2.6.5 Systematic measurement program 2.7 Results – absorber choice 2.7.1 Energy resolution 2.7.2 Spatial resolution 2.7.3 Time resolution 2.8 Discussion – absorber choice 2.9 Results – BbCc setup 2.10 Discussion – BbCc setup 3 Prompt gamma-ray timing 3.1 Theoretical background 3.1.1 Detection principle 3.1.2 Kinematics 3.1.3 Detector model 3.1.4 Quantitative assessment 3.2 Goals 3.3 Materials 3.3.1 Detectors 3.3.2 Electronics 3.3.3 Accelerators 3.4 Methods 3.4.1 Detector and module settings 3.4.2 Proton bunch phase stability 3.4.3 Proton bunch time structure 3.4.4 Systematic measurement program 3.4.5 Data acquisition rate 3.4.6 Data analysis 3.4.7 Modelling of PGT spectra 3.5 Results 3.5.1 Intrinsic detector time resolution 3.5.2 Illustrative energy over time spectra 3.5.3 Proton bunch phase stability 3.5.4 Proton bunch time structure 3.5.5 Systematic measurement program 3.6 Discussion 3.7 Conclusions 4 Discussion 4.1 Detector load, event throughput and spot duration 4.2 Comparison of PGI systems 4.3 Summary 4.4 Zusammenfassung Bibliography / Beschleunigte Protonen sind ausgezeichnete Kandidaten für die Behandlung von diversen Tumorarten. Diese geladenen Teilchen stoppen in einer bestimmten Tiefe, bei der die Ionisierungsdichte maximal ist. Da die deponierte Dosis hinter der distalen Kante sehr klein ist, minimiert die Protonentherapie den Schaden an normalem Gewebe verglichen mit der Photonentherapie. Inhärente Reichweitenunsicherheiten stellen jedoch die Bestrahlung von Tumoren in der Nähe von Risikoorganen in Frage und führen zur Anwendung von konservativen Sicherheitssäumen. Dadurch werden die potentiellen Vorteile der Protonen- gegenüber der Photonentherapie sowie ihre letzten Ziele eingeschränkt. Prompte Gammastrahlung, ein Nebenprodukt der Bestrahlung, welche mit der Dosisdeposition korreliert, ist eine zuverlässige Signatur um Reichweitenunterschiede zu detektieren und könnte sogar für eine dreidimensionale in vivo Dosimetrie genutzt werden. In dieser Arbeit werden zwei Methoden für Prompt Gamma-ray Imaging (PGI) erforscht: die Compton-Kamera (CK) und das Prompt Gamma-ray Timing (PGT)-Konzept. Des Weiteren soll deren Anwendbarkeit im klinischen Szenario diskutiert und verglichen werden. Die erste Methode strebt nach der Rekonstruktion der Emissionsdichtenverteilung der prompten Gammastrahlung und basiert auf einem iterativen Bildgebungsalgorithmus sowie auf mehreren positionsempfindlichen Detektoren. Diese werden in eine Streuer- und Absorberebene eingeteilt. Die zweite Methode ist vor Kurzem als eine Alternative zu kollimierten PGI Systemen vorgeschlagen worden, und beruht auf dem Prinzip der Zeitspektroskopie mit einem einzelnen monolithischen Detektor. Die Detektionszeiten der prompten Gammastrahlen beinhalten entscheidende Informationen über das Tiefendosisprofil aufgrund der messbaren Durchgangszeit von Ionen durch Materie. Am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) und OncoRay werden Detektorkomponenten in realistischen Strahlungsumgebungen als ein Schritt zur klinischen CK charakterisiert. Konventionelle Blockdetektoren, welche in kommerziellen Positronen-Emissions-Tomographie (PET)-Scannern zum Einsatz kommen und auf Cer dotiertem Lutetiumoxyorthosilikat - Lu2SiO5:Ce (LSO) oder Bismutgermanat - Bi4Ge3O12 (BGO) Szintillatoren basieren, sind geeignete Kandidaten für den Absorber einer CK wegen der hohen Dichte und Absorptionseffizienz im Energiebereich von prompten Gammastrahlen (mehrere MeV). LSO- und BGO-Blockdetektoren werden in klinisch relevanten Strahlungsfeldern in Bezug auf Energie-, Orts- und Zeitauflösung verglichen. Weiterhin werden zwei BGO-Blockdetektoren (von PET-Scannern), angeordnet als BGO Block Compton-Kamera (BBCK), benutzt, um die Bildgebung von hochenergetischen prompten Gammastrahlen zu untersuchen, die in homogenen Plexiglas-Targets durch einen Protonen-Bleistiftstrahl emittiert werden. Die Motivation hierfür ist, die Detektionseffizienz der Streuerebene zu maximieren, wobei jedoch die Energieauflösung vernachlässigt wird. Targetverschiebungen, sowie Änderungen der Targetdicke und der Teilchenenergie werden untersucht. In einer Kollaboration zwischen OncoRay, HZDR and IBA, wird der erste Test des PGT-Konzepts an einem klinischen Protonenbeschleuniger (Westdeutsches Protonentherapiezentrum Essen) mit mehreren Detektoren und heterogenen Phantomen durchgeführt. Die Sensitivität der Methode hinsichtlich Reichweitenveränderungen wird erforscht. Des Weiteren wird der Einfluss von Untergrund und Stabilität des Zeitprofils des Strahlenbündels untersucht, sowie die Zeitverschmierung des Bündels für verschiedene Protonenenergien charakterisiert. Für die Materialauswahl für den Absorber der CK ergibt sich, dass sich BGO dem lichtstärkeren LSO Szintillator angleicht. Der Grund dafür sind die höheren Energien der prompten Gammastrahlung im Vergleich zum PET Szenario, welche die Energie-, Orts- und Zeitauflösung von BGO stark verbessern. Anhand von offensichtlichen Änderungen der Rückprojektionsbilder zeigt sich, dass mit der BBCK Verschiebungen einer punktförmigen radioaktiven Quelle erfolgreich detektiert, Linienquellen rekonstruiert und Verschiebungen der Protonenreichweite um einen Zentimeter identifiziert werden. Für die PGT-Experimente können mit einem einzigen Detektor Reichweitenunterschiede von fünf Millimetern für definierte heterogene Targets bei klinisch relevanten Dosen detektiert werden. Dies wird durch den numerischen Vergleich der Spektrumform ermöglicht. Bei größerer Ereigniszahl können Reichweitenunterschiede von bis zu zwei Millimetern detektiert werden. Die experimentellen Daten werden durch analytische Modellierung wiedergegeben. Die CK und das PGT-Konzept sind ambitionierte Ansätze zur Verifizierung der Reichweite in der Protonentherapie basierend auf PGI. Intensive Detektorcharakterisierung und Tests an klinischen Einrichtungen sind Pflicht für die Entwicklung geeigneter Prototypen, da der Energiebereich prompter Gammastrahlung sich über mehrere MeV erstreckt, was nicht dem Normbereich der traditionellen medizinischen Anwendungen entspricht. Im Bezug auf die Materialauswahl der CK wird ersichtlich, dass BGO trotz der allgemeinen Überlegenheit von LSO für die Anwendung im Bereich PGI aufholt. Wegen des niedrigeren Preises, der höheren Photoabsorptionseffizienz und der nicht vorhandenen Eigenaktivität erscheint BGO als eine konkurrenzfähige Alternative für die Absorberebene der CK im Vergleich zu LSO. Die Ergebnisse der BBCK, welche mit relativ einfachen Mitteln gewonnen werden, heben die potentielle Anwendung von Compton-Kameras für die Bildgebung prompter hochenergetischer Gammastrahlen hervor. Trotzdem stellen technische Beschränkungen wie die mangelnde Anzahl von Messereignissen pro Bestrahlungspunkt (falls klinische Ströme genutzt werden) die Anwendbarkeit der CK als Echtzeit- und in vivo Reichweitenverifikationsmethode in der Protonentherapie in Frage. Die PGT-Methode ist ein alternativer Ansatz, welcher aufgrund der geringeren Kosten und der höheren Effizienz eine schnellere Umsetzung in die klinische Praxis haben könnte. Ein Protonenbunchmonitor, höherer Detektordurchsatz und eine quantitative Reichweitenrekonstruktion sind die weiteren Schritte in Richtung eines klinisch anwendbaren Prototyps, der signifikante Reichweitenunterschiede für die stärksten Bestrahlungspunkte detektieren könnte. Die experimentellen Ergebnisse unterstreichen das Potential dieser Reichweitenverifikationsmethode an einem klinischen Bleistiftstrahl und lassen diesen neuartigen Ansatz als eine vielversprechende Alternative auf dem Gebiet der in vivo Dosimetrie erscheinen.:1 Introduction 1.1 Proton therapy 1.1.1 The beginnings 1.1.2 Essential features 1.1.3 Advantages and drawbacks 1.2 Range uncertainties and their consequences 1.3 Range verification methods 1.4 Prompt gamma-ray imaging 1.4.1 Passive collimation 1.4.2 Active collimation 1.4.3 Correlation to dose 1.5 Aim of this work 2 Compton camera 2.1 Theoretical background 2.1.1 Compton formula and Klein-Nishina cross section 2.1.2 Detection principle 2.1.3 Intersection of cone surface and plane 2.1.4 Practical considerations 2.2 Motivation 2.3 Goals 2.4 Materials 2.4.1 Scintillator properties 2.4.2 Block detector properties 2.4.3 Electronics and data acquisition 2.4.4 High efficiency Compton camera setup 2.5 Experimental setup 2.5.1 Accelerators 2.5.2 Detector setup 2.5.3 Trigger regime 2.6 Methods 2.6.1 Energy calibration 2.6.2 Spatial calibration 2.6.3 Time calibration 2.6.4 Error analysis 2.6.5 Systematic measurement program 2.7 Results – absorber choice 2.7.1 Energy resolution 2.7.2 Spatial resolution 2.7.3 Time resolution 2.8 Discussion – absorber choice 2.9 Results – BbCc setup 2.10 Discussion – BbCc setup 3 Prompt gamma-ray timing 3.1 Theoretical background 3.1.1 Detection principle 3.1.2 Kinematics 3.1.3 Detector model 3.1.4 Quantitative assessment 3.2 Goals 3.3 Materials 3.3.1 Detectors 3.3.2 Electronics 3.3.3 Accelerators 3.4 Methods 3.4.1 Detector and module settings 3.4.2 Proton bunch phase stability 3.4.3 Proton bunch time structure 3.4.4 Systematic measurement program 3.4.5 Data acquisition rate 3.4.6 Data analysis 3.4.7 Modelling of PGT spectra 3.5 Results 3.5.1 Intrinsic detector time resolution 3.5.2 Illustrative energy over time spectra 3.5.3 Proton bunch phase stability 3.5.4 Proton bunch time structure 3.5.5 Systematic measurement program 3.6 Discussion 3.7 Conclusions 4 Discussion 4.1 Detector load, event throughput and spot duration 4.2 Comparison of PGI systems 4.3 Summary 4.4 Zusammenfassung Bibliography

Background The finite range of a proton beam in tissue and the corresponding steep distal dose gradient near the end of the particle track open new vistas for the delivery of a highly target-conformal dose distribution in radiation therapy. Compared to a classical photon treatment, the potential therapeutic benefit of a particle treatment is a significant dose reduction in the tumor-surrounding tissue at a comparable dose level applied to the tumor. Motivation The actually applied particle range, and therefor the dose deposition in the target volume, is quite sensitive to the tissue composition in the path of the protons. Particle treatments are planned via computed tomography images, acquired prior to the treatment. The conversion from photon stopping power to proton stopping power induces an important source of range-uncertainty. Furthermore, anatomical deviations from planning situation affect the accurate dose deposition. Since there is no clinical routine measurement of the actually applied particle range, treatments are currently planned to be robust in favor of optimal regarding the dose delivery. Robust planning incorporates the application of safety margins around the tumor volume as well as the usage of (potentially) unfavorable field directions. These pretreatment safety procedures aim to secure dose conformality in the tumor volume, however at the price of additional dose to the surrounding tissue. As a result, the unverified particle range constraints the principle benefit of proton therapy. An on-line, in-vivo range-verification would therefore bring the potential of particle therapy much closer to the daily clinical routine. Materials and methods This work contributes to the field of in-vivo treatment verification by the methodical investigation of range assessment via the detection of prompt gamma-rays, a side product emitted due to proton-tissue interaction. In the first part, the concept of measuring the spatial prompt gamma-ray emission profile with a Compton camera is investigated with a prototype system consisting of a CdZnTe cross strip detector as scatter plane and three side-by-side arranged, segmented BGO block detectors as absorber planes. In the second part, the novel method of prompt gamma-ray timing (PGT) is introduced. This technique has been developed in the scope of this work and a patent has been applied for. The necessary physical considerations for PGT are outlined and the feasibility of the method is supported with first proof-of-principle experiments. Results Compton camera: Utilizing a 22-Na source, the feasibility of reconstructing the emission scene of a point source at 1.275 MeV was verified. Suitable filters on the scatter-absorber coincident timing and the respective sum energy were defined and applied to the data. The source position and corresponding source displacements could be verified in the reconstructed Compton images. In a next step, a Compton imaging test at 4.44 MeV photon energy was performed. A suitable test setup was identified at the Tandetron accelerator at the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, Germany. This measurement setup provided a monoenergetic, point-like source of 4.44 MeV gamma-rays, that was nearly free of background. Here, the absolute gamma-ray yield was determined. The Compton imaging prototype was tested at the Tandetron regarding (i) the energy resolution, timing resolution, and spatial resolution of the individual detectors, (ii) the imaging capabilities of the prototype at 4.44 MeV gamma-ray energy and (iii) the Compton imaging efficiency. In a Compton imaging test, the source position and the corresponding source displacements were verified in the reconstructed Compton images. Furthermore, via the quantitative gamma-ray emission yield, the Compton imaging efficiency at 4.44 MeV photon energy was determined experimentally. PGT: The concept of PGT was developed and introduced to the scientific community in the scope of this thesis. A theoretical model for PGT was developed and outlined. Based on the theoretical considerations, a Monte Carlo (MC) algorithm, capable of simulating PGT distributions was implemented. At the KVI-CART proton beam line in Groningen, The Netherlands, time-resolved prompt gamma-ray spectra were recorded with a small scale, scintillator based detection system. The recorded data were analyzed in the scope of PGT and compared to the measured data, yielding in an excellent agreement and thus verifying the developed theoretical basis. For a hypothetical PGT imaging setup at a therapeutic proton beam it was shown, that the statistical error on the range determination could be reduced to 5 mm at a 90 % confidence level for a single spot of 5x10E8 protons. Conclusion Compton imaging and PGT were investigated as candidates for treatment verification, based on the detection of prompt gamma-rays. The feasibility of Compton imaging at photon energies of several MeV was proven, which supports the approach of imaging high energetic prompt $gamma$-rays. However, the applicability of a Compton camera under therapeutic conditions was found to be questionable, due to (i) the low device detection efficiency and the corresponding limited number of valid events, that can be recorded within a single treatment and utilized for image reconstruction, and (ii) the complexity of the detector setup and attached readout electronics, which make the development of a clinical prototype expensive and time consuming. PGT is based on a simple time-spectroscopic measurement approach. The collimation-less detection principle implies a high detection efficiency compared to the Compton camera. The promising results on the applicability under treatment conditions and the simplicity of the detector setup qualify PGT as method well suited for a fast translation towards a clinical trial.:1. Particle therapy 1.1 Introduction 1.2 The problem of particle range uncertainty 1.3 Currently investigated methods for treatment verification 1.4 Methods for prompt gamma-ray based treatment verification 1.4.1 Prompt gamma-ray imaging (PGI) 1.4.2 Prompt gamma-ray timing (PGT) 2. Physical relations 2.1 Interactions of protons with matter 2.1.1 Stopping of protons 2.1.2 Multiple Coulomb scattering (MCS) 2.1.3 Nonelastic collisions 2.2 Definition of deposited dose and proton range 2.2.1 Definition of dose D 2.2.2 The dose depth Dx , the proton fluence Φ, and the Bragg peak 2.2.3 The particle range 2.3 Production and delivery of proton beams 2.3.1 Acceleration of protons in a isochronous cyclotron 2.3.2 Beam delivery 2.4 Prompt gamma-ray emission 2.4.1 The production of prompt gamma-rays via nonelastic nuclear interactions 2.5 Interactions of photons with matter 2.5.1 Photoelectric absorption 2.5.2 Compton scattering 2.5.3 Pair production 2.5.4 Mass attenuation coefficient μ/ρ 2.6 Detection of photons 2.6.1 Semiconductor detectors 2.6.2 Scintillation detectors 3 Tests of a Compton camera for PGI 3.1 Principle of operation 3.2 Status of preceding work 3.3 Modifications to the existing Compton imaging prototype 3.4 Detectors of the prototype 3.4.1 The CZT scatter plane 3.4.2 The BGO absorber plane 3.4.3 The Compton imaging prototype 3.5 Electronic readout and event generation 3.6 Detector calibration 3.6.1 Calibration of the CZT detector 3.6.2 Calibration of a BGO detector 3.7 Compton imaging at 1.275 MeV photon energy 3.7.1 Imaging setup 3.7.2 Coincident timing 3.7.3 Coincident energy deposition 3.7.4 Image reconstruction 3.8 Compton imaging at 4.44 MeV photon energy 3.8.1 Beam setup at the Tandetron accelerator 3.8.2 Beam tuning at the Tandetron accelerator 3.8.3 The gamma-ray emission yield 3.8.4 Measurement setup 3.8.5 Energy detection 3.8.6 Spatial detection 3.8.7 Coincident timing 3.8.8 Coincident energy deposition 3.8.9 Detection efficiency η 3.8.10 Imaging setup 3.8.11 Image reconstruction 3.9 Implications for a therapeutic Compton imaging scenario 3.10 Summary and discussion 4 Prompt gamma-ray timing (PGT) 4.1 Theoretical description of PGT 4.1.1 Timing of prompt gamma-ray emission 4.1.2 Kinematics of protons 4.1.3 The correlation between spatial and temporal prompt gamma-ray emission in a thick target 4.1.4 Setup for time-resolved measurements of prompt gamma-rays 4.1.5 Uncertainty of the reference time 4.1.6 Standard error of the mean and confidence intervals of statistical momenta 4.1.7 A simplified MC method for the modeling of PGT 4.2 Experimental results 4.2.1 The GAGG detector 4.2.2 Detector energy resolution 4.2.3 Detector time resolution with 60-Co 4.2.4 Energy-resolved detector time resolution - the ELBE experiment 4.2.5 The KVI-CART proton beam line 4.2.6 Time-resolved measurement of prompt gamma-rays 4.2.7 Experimental determination of the system time resolution σ 4.2.8 PGT in dependence of proton transit time 4.3 Towards treatment verification with PGT 4.3.1 MC based PGT in dependence of proton range 4.3.2 MC based PGT at inhomogeneous targets 4.4 Implications for a therapeutic PGT scenario 4.4.1 Range verification for an exemplary PGT setup 4.4.2 Practical restrictions for the therapeutic PGT scenario 4.4.3 Principal limitations of the PGT method 4.5 Summary and outlook 5 Discussion Summary Zusammenfassung Bibliography Acknowledgement / Hintergrund Strahlentherapie ist eine wichtige Modalität der therapeutischen Behandlung von Krebs. Das Ziel dieser Behandlungsform ist die Applikation einer bestimmten Strahlendosis im Tumorvolumen, wobei umliegendes, gesundes Gewebe nach Möglichkeit geschont werden soll. Bei der Bestrahlung mit einem hochenergetischen Protonenstrahl erlaubt die wohldefinierte Reichweite der Teilchen im Gewebe, in Kombination mit dem steilen, distalen Dosisgradienten, eine hohe Tumor-Konformalität der deponierten Dosis. Verglichen mit der klassisch eingesetzten Behandlung mit Photonen ergibt sich für eine optimiert geplante Behandlung mit Protonen ein deutlich reduziertes Dosisnivau im den Tumor umgebenden Gewebe. Motivation Die tatsächlich applizierte Reichweite der Protonen im Körper, und somit auch die lokal deponierte Dosis, ist stark abhängig vom Bremsvermögen der Materie im Strahlengang der Protonen. Bestrahlungspläne werden mit Hilfe eines Computertomographen (CT) erstellt, wobei die CT Bilder vor der eigentlichen Behandlung aufgenommen werden. Ein CT misst allerdings lediglich den linearen Schwächungskoeffizienten für Photonen in der Einheit Hounsfield Units (HU). Die Ungenauigkeit in der Umrechnung von HU in Protonen-Bremsvermögen ist, unter anderem, eine wesentliche Ursache für die Unsicherheit über die tatsächliche Reichweite der Protonen im Körper des Patienten. Derzeit existiert keine routinemäßige Methode, um die applizierte Dosis oder auch die Protonenreichweite in-vivo und in Echtzeit zu bestimmen. Um das geplante Dosisniveau im Tumorvolumen trotz möglicher Reichweiteunterschiede zu gewährleisten, werden die Bestrahlungspläne für Protonen auf Robustheit optimiert, was zum Einen das geplante Dosisniveau im Tumorvolumen trotz auftretender Reichweiteveränderungen sicherstellen soll, zum Anderen aber auf Kosten der möglichen Dosiseinsparung im gesunden Gewebe geht. Zusammengefasst kann der Hauptvorteil einer Therapie mit Protonen wegen der Unsicherheit über die tatsächlich applizierte Reichweite nicht wirklich realisiert. Eine Methode zur Bestimmung der Reichweite in-vivo und in Echtzeit wäre daher von großem Nutzen, um das theoretische Potential der Protonentherapie auch in der praktisch ausschöpfen zu können. Material und Methoden In dieser Arbeit werden zwei Konzepte zur Messung prompter Gamma-Strahlung behandelt, welche potentiell zur Bestimmung der Reichweite der Protonen im Körper eingesetzt werden können. Prompte Gamma-Strahlung entsteht durch Proton-Atomkern-Kollision auf einer Zeitskala unterhalb von Picosekunden entlang des Strahlweges der Protonen im Gewebe. Aufgrund der prompten Emission ist diese Form der Sekundärstrahlung ein aussichtsreicher Kandidat für eine Bestrahlungs-Verifikation in Echtzeit. Zum Einen wird die Anwendbarkeit von Compton-Kameras anhand eines Prototyps untersucht. Dabei zielt die Messung auf die Rekonstruktion des örtlichen Emissionsprofils der prompten Gammas ab. Zum Zweiten wird eine, im Rahmen dieser Arbeit neu entwickelte Messmethode, das Prompt Gamma-Ray Timing (PGT), vorgestellt und international zum Patent angemeldet. Im Gegensatz zu bereits bekannten Ansätzen, verwendet PGT die endliche Flugzeit der Protonen durch das Gewebe und bestimmt zeitliche Emissionsprofile der prompten Gammas. Ergebnisse Compton Kamera: Die örtliche Emissionsverteilung einer punktförmigen 22-Na Quelle wurde wurde bei einer Photonenenergie von 1.275 MeV nachgewiesen. Dabei konnten sowohl die absolute Quellposition als auch laterale Verschiebungen der Quelle rekonstruiert werden. Da prompte Gamma-Strahlung Emissionsenergien von einigen MeV aufweist, wurde als nächster Schritt ein Bildrekonstruktionstest bei 4.44 MeV durchgeführt. Ein geeignetes Testsetup wurde am Tandetron Beschleuniger am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, Deutschland, identifiziert, wo eine monoenergetische, punktförmige Emissionverteilung von 4.44 MeV Photonen erzeugt werden konnte. Für die Detektoren des Prototyps wurden zum Einen die örtliche und zeitliche Auflösung sowie die Energieauflösungen untersucht. Zum Anderen wurde die Emissionsverteilung der erzeugten 4.44 MeV Quelle rekonstruiert und die zugehörige Effizienz des Prototyps experimentell bestimmt. PGT: Für das neu vorgeschlagene Messverfahren PGT wurden im Rahmen dieser Arbeit die theoretischen Grundlagen ausgearbeitet und dargestellt. Darauf basierend, wurde ein Monte Carlo (MC) Code entwickelt, welcher die Modellierung von PGT Spektren ermöglicht. Am Protonenstrahl des Kernfysisch Verschneller Institut (KVI), Groningen, Niederlande, wurden zeitaufgelöste Spektren prompter Gammastrahlung aufgenommen und analysiert. Durch einen Vergleich von experimentellen und modellierten Daten konnte die Gültigkeit der vorgelegten theoretischen Überlegungen quantitativ bestätigt werden. Anhand eines hypothetischen Bestrahlungsszenarios wurde gezeigt, dass der statistische Fehler in der Bestimmung der Reichweite mit einer Genauigkeit von 5 mm bei einem Konfidenzniveau von 90 % für einen einzelnen starken Spot 5x10E8 Protonen mit PGT erreichbar ist. Schlussfolgerungen Für den Compton Kamera Prototyp wurde gezeigt, dass eine Bildgebung für Gamma-Energien einiger MeV, wie sie bei prompter Gammastrahlung auftreten, möglich ist. Allerdings erlaubt die prinzipielle Abbildbarkeit noch keine Nutzbarkeit unter therapeutischen Strahlbedingungen nicht. Der wesentliche und in dieser Arbeit nachgewiesene Hinderungsgrund liegt in der niedrigen (gemessenen) Nachweiseffizienz, welche die Anzahl der validen Daten, die für die Bildrekonstruktion genutzt werden können, drastisch einschränkt. PGT basiert, im Gegensatz zur Compton Kamera, auf einem einfachen zeit-spektroskopischen Messaufbau. Die kollimatorfreie Messmethode erlaubt eine gute Nachweiseffizienz und kann somit den statistischen Fehler bei der Reichweitenbestimmung auf ein klinisch relevantes Niveau reduzieren. Die guten Ergebnissen und die ausgeführten Abschätzungen für therapeutische Bedingungen lassen erwarten, dass PGT als Grundlage für eine Bestrahlungsverifiktation in-vivo und in Echtzeit zügig klinisch umgesetzt werden kann.:1. Particle therapy 1.1 Introduction 1.2 The problem of particle range uncertainty 1.3 Currently investigated methods for treatment verification 1.4 Methods for prompt gamma-ray based treatment verification 1.4.1 Prompt gamma-ray imaging (PGI) 1.4.2 Prompt gamma-ray timing (PGT) 2. Physical relations 2.1 Interactions of protons with matter 2.1.1 Stopping of protons 2.1.2 Multiple Coulomb scattering (MCS) 2.1.3 Nonelastic collisions 2.2 Definition of deposited dose and proton range 2.2.1 Definition of dose D 2.2.2 The dose depth Dx , the proton fluence Φ, and the Bragg peak 2.2.3 The particle range 2.3 Production and delivery of proton beams 2.3.1 Acceleration of protons in a isochronous cyclotron 2.3.2 Beam delivery 2.4 Prompt gamma-ray emission 2.4.1 The production of prompt gamma-rays via nonelastic nuclear interactions 2.5 Interactions of photons with matter 2.5.1 Photoelectric absorption 2.5.2 Compton scattering 2.5.3 Pair production 2.5.4 Mass attenuation coefficient μ/ρ 2.6 Detection of photons 2.6.1 Semiconductor detectors 2.6.2 Scintillation detectors 3 Tests of a Compton camera for PGI 3.1 Principle of operation 3.2 Status of preceding work 3.3 Modifications to the existing Compton imaging prototype 3.4 Detectors of the prototype 3.4.1 The CZT scatter plane 3.4.2 The BGO absorber plane 3.4.3 The Compton imaging prototype 3.5 Electronic readout and event generation 3.6 Detector calibration 3.6.1 Calibration of the CZT detector 3.6.2 Calibration of a BGO detector 3.7 Compton imaging at 1.275 MeV photon energy 3.7.1 Imaging setup 3.7.2 Coincident timing 3.7.3 Coincident energy deposition 3.7.4 Image reconstruction 3.8 Compton imaging at 4.44 MeV photon energy 3.8.1 Beam setup at the Tandetron accelerator 3.8.2 Beam tuning at the Tandetron accelerator 3.8.3 The gamma-ray emission yield 3.8.4 Measurement setup 3.8.5 Energy detection 3.8.6 Spatial detection 3.8.7 Coincident timing 3.8.8 Coincident energy deposition 3.8.9 Detection efficiency η 3.8.10 Imaging setup 3.8.11 Image reconstruction 3.9 Implications for a therapeutic Compton imaging scenario 3.10 Summary and discussion 4 Prompt gamma-ray timing (PGT) 4.1 Theoretical description of PGT 4.1.1 Timing of prompt gamma-ray emission 4.1.2 Kinematics of protons 4.1.3 The correlation between spatial and temporal prompt gamma-ray emission in a thick target 4.1.4 Setup for time-resolved measurements of prompt gamma-rays 4.1.5 Uncertainty of the reference time 4.1.6 Standard error of the mean and confidence intervals of statistical momenta 4.1.7 A simplified MC method for the modeling of PGT 4.2 Experimental results 4.2.1 The GAGG detector 4.2.2 Detector energy resolution 4.2.3 Detector time resolution with 60-Co 4.2.4 Energy-resolved detector time resolution - the ELBE experiment 4.2.5 The KVI-CART proton beam line 4.2.6 Time-resolved measurement of prompt gamma-rays 4.2.7 Experimental determination of the system time resolution σ 4.2.8 PGT in dependence of proton transit time 4.3 Towards treatment verification with PGT 4.3.1 MC based PGT in dependence of proton range 4.3.2 MC based PGT at inhomogeneous targets 4.4 Implications for a therapeutic PGT scenario 4.4.1 Range verification for an exemplary PGT setup 4.4.2 Practical restrictions for the therapeutic PGT scenario 4.4.3 Principal limitations of the PGT method 4.5 Summary and outlook 5 Discussion Summary Zusammenfassung Bibliography Acknowledgement

An increasing number of cancer patients is treated with proton beams or other light ion beams which allow to deliver dose precisely to the tumor. However, the depth dose distribution of these particles, which enables this precision, is sensitive to deviations from the treatment plan, as e.g. anatomical changes. Thus, to assure the quality of the treatment, a non-invasive in-vivo dose verification is highly desired. This monitoring of particle therapy relies on the detection of secondary radiation which is produced by interactions between the beam particles and the nuclei of the patient’s tissue. Up to now, the only clinically applied method for in-vivo dosimetry is Positron Emission Tomography which makes use of the beta+-activity produced during the irradiation (PT-PET). Since from a PT-PET measurement the applied dose cannot be directly deduced, the simulated distribution of beta+-emitting nuclei is used as a basis for the analysis of the measured PT-PET data. Therefore, the reliable modeling of the production rates and the spatial distribution of the beta+-emitters is required. PT-PET applied during instead of after the treatment is referred to as in-beam PET. A challenge concerning in-beam PET is the design of the PET camera, because a standard full-ring scanner is not feasible. For instance, a double-head PET camera is applicable, but low count rates and the limited solid angle coverage can compromise the image quality. For this reason, a detector system which provides a time resolution allowing the incorporation of time-of-flight information (TOF) into the iterative reconstruction algorithm is desired to improve the quality of the reconstructed images. Secondly, Prompt Gamma Imaging (PGI), a technique based on the detection of prompt gamma-rays, is currently pursued. Concerning the emissions of prompt gamma-rays during particle irradiation, experimental data is not sufficiently available, making simulations necessary. Compton cameras are based on the detection of incoherently scattered photons and are investigated with respect to PGI. Monte Carlo simulations serve for the optimization of the camera design and the evaluation of criteria for the selection of measured events. Thus, for in-beam PET and PGI dedicated detection systems and, moreover, profound knowledge about the corresponding radiation fields are required. Using various simulation codes, this thesis contributes to the modelling of the beta+-emitters and photons produced during particle irradiation, as well as to the evaluation and optimization of hardware for both techniques. Concerning the modeling of the production of the relevant beta+-emitters, the abilities of the Monte Carlo simulation code PHITS and of the deterministic, one-dimensional code HIBRAC were assessed. The Monte Carlo tool GEANT4 was applied for an additional comparison. For irradiations with protons, helium, lithium, and carbon, the depth-dependent yields of the simulated beta+-emitters were compared to experimental data. In general, PHITS underestimated the yields of the considered beta+-emitters in contrast to GEANT4 which provided acceptable values. HIBRAC was substantially extended to enable the modeling of the depth-dependent yields of specific nuclides. For proton beams and carbon ion beams HIBRAC can compete with GEANT4 for this application. Since HIBRAC is fast, compact, and easy to modify, it could be a basis for the simulations of the beta+-emitters in clinical application. PHITS was also applied to the modeling of prompt gamma-rays during proton irradiation following an experimental setup. From this study, it can be concluded that PHITS could be an alternative to GEANT4 in this context. Another aim was the optimization of Compton camera prototypes. GEANT4 simulations were carried out with the focus on detection probabilities and the rate of valid events. Based on the results, the feasibility of a Compton camera setup consisting of a CZT detector and an LSO or BGO detector was confirmed. Several recommendations concerning the design and arrangement of the Compton camera prototype were derived. Furthermore, several promising event selection strategies were evaluated. The GEANT4 simulations were validated by comparing simulated to measured energy depositions in the detector layers. This comparison also led to the reconsideration of the efficiency of the prototype. A further study evaluated if electron-positron pairs resulting from pair productions could be detected with the existing prototype in addition to Compton events. Regarding the efficiency and the achievable angular resolution, the successful application of the considered prototype as pair production camera to the monitoring of particle therapy is questionable. Finally, the application of a PET camera consisting of Resistive Plate Chambers (RPCs) providing a good time resolution to in-beam PET was discussed. A scintillator-based PET camera based on a commercially available scanner was used as reference. This evaluation included simulations of the detector response, the image reconstructions using various procedures, and the analysis of image quality. Realistic activity distributions based on real treatment plans for carbon ion therapy were used. The low efficiency of the RPC-based PET camera led to images of poor quality. Neither visually nor with the semi-automatic tool YaPET a reliable detectability of range deviations was possible. The incorporation of TOF into the iterative reconstruction algorithm was especially advantageous for the considered RPC-based PET camera in terms of convergence and artifacts. The application of the real-time capable back projection method Direct TOF for the RPCbased PET camera resulted in an image quality comparable to the one achieved with the iterative algorihms. In total, this study does not indicate the further investigation of RPC-based PET cameras with similar efficiency for in-beam PET application. To sum up, simulation studies were performed aimed at the progress of in-vivo dosimetry. Regarding the modeling of the beta+-emitter production and prompt gamma-ray emissions, different simulation codes were evaluated. HIBRAC could be a basis for clinical PT-PET simulations, however, a detailed validation of the underlying cross section models is required. Several recommendations for the optimization of a Compton Camera prototype resulted from systematic variations of the setup. Nevertheless, the definite evaluation of the feasibility of a Compton camera for PGI can only be performed by further experiments. For PT-PET, the efficiency of the detector system is the crucial factor. Due to the obtained results for the considered RPC-based PET camera, the focus should be kept to scintillator-based PET cameras for this purpose.