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
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:30476 |
| Date | 22 July 2016 |
| Creators | Golnik, Christian |
| Contributors | Enghardt, Wolfgang, Pausch, Guntram, Dauvergne, Denis, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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