Treatment verification is demanded to mitigate the range uncertainties in proton therapy and, hence, to enhance treatment precision and outcomes. As a non-invasive approach for range verification, the prompt γ-ray timing (PGT) measures the time distribution of the promptly produced γ-rays using fast uncollimated scintillation detectors. However, the measured time spectra of the prompt γ-rays (PGs) are sensitive to phase instabilities between the accelerator radiofrequency (RF) used as the reference time and the actual arrival time of the therapeutic particles at the patient and require online monitoring of the arrival time of the proton bunches. Within this thesis, the development of a PGT system including an appropriate proton bunch monitor (PBM) for range verification in proton therapy was studied. In the first part of the work, two PBM options were explored and characterized under near-to-clinical beam conditions to find a suitable PBM satisfying the prerequisites and constraints for the application in the PGT-based range verification. The selected PBM prototype comprises scintillating fibers read out on both ends with silicon photomultipliers (SiPMs). By placing the PBM at the beam halo, sufficient counting statistics and processable trigger rates could be achieved for the monitoring of the proton bunch periodicity with reasonable statistical precision, while minimizing the interference to the clinical beam delivery. In the second part of the work, a proof-of-principle experiment of the PGT-based range verification with a heterogeneous target was performed together with online monitoring of the proton bunch instabilities. The sensitivity and the overall uncertainty of the PGT technique were evaluated for two proton energies, different thicknesses of air cavity inserts, various tissue-equivalent material inserts, different selections of the PG energy window, and other PGT parameters. The experimental results confirmed that real-time monitoring of the proton range during treatment using the PGT technique is feasible with millimeter precision and submillimeter accuracy at close-to-clinical beam currents and clinically relevant proton energies. The integration of the PBM to the PGT-based range verification marks another important step toward the clinical application of the PGT technique for in vivo verification and qualitative assessment of the proton range during treatment.:List of figures
List of tables
List of abbreviations
1. Introduction
2. Background
2.1. Uncertainties in proton therapy
2.2. Treatment verification in proton therapy
2.3. Prompt γ-ray timing (PGT)
2.3.1. PGT principle
2.3.2. PGT detection system
2.3.3. Time instabilities in the PGT-based range verification
2.4. Aim of the work
3. Development of a proton bunch monitor
3.1. The IBA Proteus 235 System at OncoRay
3.2. General requirements
3.3. Coincidence detection of scattered protons
3.3.1. Detection principle
3.3.2. Motivation
3.3.3. Characterization and performance of the detector
3.4. Scintillating fiber detector
3.4.1. Detection principle
3.4.2. Motivation
3.4.3. Characterization of a single-sided PMT readout fiber
3.4.4. Characterization of a double-sided PMT readout fiber
3.4.5. Characterization of a double-sided SiPM readout fiber
3.5. Comparison of the two proton bunch monitors
3.6. Summary
4. PGT proof-of-principle with the proton bunch monitor
4.1. Materials and methods
4.1.1. Experimental setup
4.1.2. Measurement program
4.1.3. Data analysis
4.1.4. Evaluation of PGT spectra
4.2. Results
4.2.1. Characteristics of PGT spectra
4.2.2. Relative proton range verification
4.3. Discussion and conclusion
4.4. Summary
5. General discussion
5.1. Time instabilities
5.2. Toward clinical translation of the PGT technique
5.3. Conclusion
6. Summary / Zusammenfassung
6.1. Summary
6.2. Zusammenfassung
Bibliography / Die Verifikation der Behandlung ist erforderlich, um die Reichweiteunsicherheiten in der Protonentherapie zu verringern und damit die Behandlungspräzision und die Behandlungsergebnisse zu verbessern. Das Prompt-γ-Ray-Timing (PGT) ist eine nicht-invasive Methode zur Reichweitenverifizierung, bei der die Zeitverteilung der prompt erzeugten γ-Strahlung mit schnellen, nicht-kollimierten Szintillationsdetektoren detektiert wird. Die gemessenen Zeitspektren der prompten γ-Strahlung (PGs) sind jedoch empfindlich gegenüber Phaseninstabilitäten zwischen der als Referenzzeit verwendeten Radiofrequenz (RF) des Beschleunigers und der tatsächlichen Ankunftszeit der therapeutischen Teilchen am Patienten und erfordern eine Online-Überwachung der Ankunftszeit der Protonenmikropulse. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Entwicklung eines PGT-Systems einschließlich eines geeigneten Proton-Bunch-Monitors (PBMs) für die Reichweitenverifikation in der Protonentherapie untersucht. Im ersten Teil der Arbeit wurden zwei PBM-Optionen untersucht und unter kliniknahen Strahlbedingungen charakterisiert, um einen PBM, der die Voraussetzungen und Einschränkungen für die Anwendung in der PGT-basierten Reichweitenverifikation erfüllt, auszuwählen. Der ausgewählte PBM-Prototyp besteht aus szintillierenden Fasern, die an beiden Enden mit Silizium-Photomultipliern (SiPMs) ausgelesen werden. Durch die Platzierung des PBMs im Strahlhalo konnten ausreichende Zählstatistiken und verarbeitbare Triggerraten für die Überwachung der Periodizität der Protonenmikropulse mit einer angemessenen statistischen Genauigkeit erreicht werden, während gleichzeitig die Beeinträchtigung der klinischen Strahlapplikation minimiert wird. Im zweiten Teil der Arbeit wurde der experimentelle Machbarkeitsnachweis für die PGT-basierte Reichweitenverifikation in einem heterogenen Target zusammen mit der Online-Überwachung der Instabilitäten der Protonenmikropulse erbracht. Die Empfindlichkeit und die Gesamtunsicherheit der PGT-Technik wurden für zwei Protonenenergien, unterschiedliche Dicken der Lufthohlraumeinsätze, verschiedene gewebeäquivalente Materialeinsätze, andere Auswahlen der PG-Energiefenster und weitere PGT-Parameter quantifiziert. Die experimentellen Ergebnisse bestätigten, dass die Echtzeitüberwachung der Protonenreichweite während der Behandlung mit Hilfe der PGT-Technik mit Millimeterpräzision und Submillimetergenauigkeit bei kliniknahen Strahlströmen und klinisch relevanten Protonenenergien möglich ist. Die Integration des PBMs in die PGT-basierten Reichweitenverifizierung ist ein weiterer wichtiger Schritt auf dem Weg zur klinischen Anwendung der PGT-Technik für die In-vivo-Reichweitenüberprüfung und die qualitative Bewertung der Protonenreichweite während der Behandlung.:List of figures
List of tables
List of abbreviations
1. Introduction
2. Background
2.1. Uncertainties in proton therapy
2.2. Treatment verification in proton therapy
2.3. Prompt γ-ray timing (PGT)
2.3.1. PGT principle
2.3.2. PGT detection system
2.3.3. Time instabilities in the PGT-based range verification
2.4. Aim of the work
3. Development of a proton bunch monitor
3.1. The IBA Proteus 235 System at OncoRay
3.2. General requirements
3.3. Coincidence detection of scattered protons
3.3.1. Detection principle
3.3.2. Motivation
3.3.3. Characterization and performance of the detector
3.4. Scintillating fiber detector
3.4.1. Detection principle
3.4.2. Motivation
3.4.3. Characterization of a single-sided PMT readout fiber
3.4.4. Characterization of a double-sided PMT readout fiber
3.4.5. Characterization of a double-sided SiPM readout fiber
3.5. Comparison of the two proton bunch monitors
3.6. Summary
4. PGT proof-of-principle with the proton bunch monitor
4.1. Materials and methods
4.1.1. Experimental setup
4.1.2. Measurement program
4.1.3. Data analysis
4.1.4. Evaluation of PGT spectra
4.2. Results
4.2.1. Characteristics of PGT spectra
4.2.2. Relative proton range verification
4.3. Discussion and conclusion
4.4. Summary
5. General discussion
5.1. Time instabilities
5.2. Toward clinical translation of the PGT technique
5.3. Conclusion
6. Summary / Zusammenfassung
6.1. Summary
6.2. Zusammenfassung
Bibliography
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:86082 |
| Date | 19 June 2023 |
| Creators | Permatasari, Felicia Fibiani |
| Contributors | Enghardt, Wolfgang, Rafecas, Magdalena, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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