Imaging with ion beams at MedAustron

Abstract

Eine Forschungsgruppe für Bildgebung mit Ionenstrahlen wurde am MedAustron, Zentrum für Ionentherapie und Forschung, gegründet.Als Teil dieses Projektes wurde ein Demonstratorsystem zusammengesetzt um einen Arbeitsfluss für Messungen und Bildrekonstruktion aufzubauen.Diese Dissertation behandelt Messungen mit dem Demonstrator und begleitende Monte-Carlo-Simulationen um die technischen Voraussetzungen für ein vorklinisches System zu untersuchen.Der Demonstrator wurde aus doppelseitigen Silizium-Streifendetektoren für Spurmessungen und einem Reichweitenteleskop zusammengesetzt.Er wurde für die Messung eines Datensatzes von Einzelteilchen, die ein metallisches Stufenphantom durchquerten, genutzt.Spurrekonstruktion, Justierung der Detektoren und eine vorläufige Bildrekonstruktion wurden durchgeführt.Insgesamt 79 verschiedene Phantomrotationen wurden mit Vielfachstreuung, Energieverlust und Intensitätsverlusten projiziert.Rekonstruktionen wurden mit Streuung und Energieverlust erzeugt, allerdings aufgrund von Artefakten nicht mit Intensitätsverlusten.Monte-Carlo-Simulationen wurden durchgeführt um die Unbestimmtheit der wahrscheinlichsten Teilchenpfade durch ein Wasserphantom zu untersuchen, welche mit Detektormessungen ausserhalb des Phantoms modelliert wurden.Die intrinsische Bildauflösung innerhalb des Phantoms mit der Differenz aus einzelnen modellierten und korrekten Pfaden bestimmt.Simulationen wurden mit verschiedenen Systemparametern (z.B. Positionsauflösung, Strahlenergie oder Phantomdicke) wiederholt um den Einfluss der Parameter auf die Auflösung zu bestimmen.Außerdem wurde der Einfluss zusätzlicher (redundanter) Detektoren untersucht.Eine übersicht der Bildauflösung als Funktion der Systemparameter wurde mit Simulationen erstellt.Diese wurde genutzt um Intervalle von Detektordicke und Positionsauflösung zu ermitteln, die für Ionenbildebung geeignet sind: eine Positionsauflösung kleiner als 150 μm und eine Dicke unterhalb von 0.75 % Strahlungslängen.Zusätzliche Detektoren reduzierten die Bildauflösung aufgrund von Vielfachstreuung.Diesem Nachteil konnte teilweise entgegengewirkt werden, indem das general broken lines Modell statt geraden Spuren in Luft und den Detektoren genutzt wurde.Redundante Detektoren könnten also eingesetzt werden, ohne dabei die Bildauflösung zu verschlechtern.

A research group for ion imaging was founded at the MedAustron facility for ion therapy and research, to develop a new and innovative ion imaging system.As part of this project, a demonstrator system was assembled to establish a workflow for measurements and image reconstruction.This work discusses measurements with the demonstrator and accompanying Monte Carlo simulations to study the technical requirements for an upcoming preclinical system.The demonstrator consisted of double sided silicon strip detectors for tracking, and a range telescope for the residual range measurement.It was used to record individual particles passing through a small metallic stair phantom, to obtain a dataset suitable for image reconstruction.Track fitting, detector alignment and preliminary imaging was carried out with the dataset.Projection images based on multiple scattering, energy loss and beam attenuation were obtained at 79 phantom rotation angles.Tomographic reconstructions were produced for scattering and energy loss, but not for attenuation due to noise and artifacts in the projections.Monte Carlo simulations were used to study the uncertainty of the most likely particle paths within a water phantom, modelled from detector measurements surrounding it.The intrinsic image resolution in the phantom was evaluated from the differences of individual modelled and correct paths.Simulations were repeated while iterating through many system parameters -- such as position resolution, beam energy or phantom thickness -- to study the impact of these parameters on image resolution.Additionally, the influence of additional (redundant) detector planes was studied.An overview of the image resolution -- as function of the parameter space of single tracking systems -- was created with these simulations.It was used to identify intervals of detector thickness and position resolution that would facilitate a minimum image resolution of 2.5 mm: a position resolution below 150 μm and a material budget of less than 0.75 % in terms of radiation length.Additional planes reduced the image resolution due to multiple scattering in the detectors.These detrimental effects could be partially counteracted by using the general broken lines model instead of straight lines for tracks in air and the detectors.Redundant planes could therefore be used without significantly reducing image resolution.