Advancing ion computed tomography by incorporating time-of-flight and 4D tracking

Abstract

Die Ionentherapie hat sich als geignete Behandlungsmethode etabliert, um tiefsitzende Tumore nahe kritischer Organen zu bestrahlen. Die relativ geringe Eintrittsdosis (Plateau) und stark ansteigende Dosis kurz vor der Teilchenreichweite (Bragg Peak) erlaubt es, das Tumorgewebe mit sehr hohen Dosen zu bestrahlen, während das umliegende gesunde Gewebe so gut wie möglich geschont wird. Da jedoch die Position des Bragg Peaks stark von der Materialzusammensetzung des bestrahlten Gewebes abhängt, ist es besonders wichtig, die genaue Verteilung des Bremsvermögens innerhalb des Patienten zu kennen, da sie für die Reichweitenberechnung benötigt wird. Zurzeit wird das Bremsvermögen aus herkömmlichen Computertomographie Bildern gewonnen, welche auf Röntgenstrahlung basieren. Dabei müssen die gemessenen Photonabsorptionskoeffizienten in Bremsvermögen umgewandelt werden, was zu Fehlern führen kann.Die Ionencomputertomography (iCT) bietet sich als alternative Methode an, welche diese Konvertierungsfehler umgehen kann, da sie Ionen im Plateaubereich nutzt, um das Bremsvermögen direkt zu bestimmen. Typischerweise wird dafür der Teilchenpfad durch den Patienten mithilfe eines Spurdetektors und die deponierte Energie mit einem Kalorimeter oder Reichweitendetektor gemessen.Das Hauptziel dieser Arbeit war es ein iCT Demonstratorsystem innerhalb der pCT Kollaboration am HEPHY und an der TU Wien zu entwickeln und zu testen und darüberhinaus mögliche Alternativen basierend auf 4D Spurendetektoren zu untersuchen. Aus diesem Grund wurde die Arbeit in zwei Teile unterteilt.Zuerst wurde ein iCT Demonstratorsystem gebaut, welches Plastikszintillatorplatten für die Reichweitenmessungen und doppelseitige Siliziumstreifendetektoren für die Spurrekonstruktion verwendet. Sowohl der Reichweitendetektor als auch die Spurdetektoren stammen von alten Experimenten und wurden daher wieder verwertet. Für den Bau des Demonstrators musste das Reichweitenteleskop grundlegend verbessert und repariert werden. Außerdem wurde ein Synchronisationsmechanismus implementiert, welcher die Teilchenspur und dazugehörige Reichweitenmessung kombiniert. Anschließend wurde das iCT Demonstratorsystem am Teilchentherapiezentrum MedAustron getestet. Dafür wurde eine iCT von einem 1 cm^3 großen Aluminiumstufenphantom erstellt, welche dann mit einer Monte Carlo Simulation verglichen wurde. Für die iCT Messung wurden gesamt 80 Radiographien erstellt welche dann erfolgreich für die Bildrekonstruktion verwendet wurden. Aufgrund der Performance des iCT Demonstratorsystems und der gemessenen Bildqualität wurden die wesentlichen Limitierung des aktuellen Detektordesigns festgestellt und mögliche Verbesserungen diskutiert. Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit Ionentomographiesystemen welche auf Flugzeitmessungen mit 4D Spurendetektoren, wie zum Beispiel Low Gain Avalanche Detektoren (LGADs), basieren (TOF-pCT). Dafür wurde ein Simulationsmodell von einem realistischen TOF-pCT erstellt. Nach einer umfangreichen Analyse der verschiedenen Systemparameter konnten die wichtigsten Designaspekte und Designanforderungen ermittelt werden. Außerdem wurde noch ein alternatives bildgebendes Verfahren untersucht, welches das Bremsvermögen auch ohne Reichweitendetektor bestimmen kann. Mit dieser Studie konnte gezeigt werden, dass ein TOF-pCT System das Potential hat konventionelle CT und iCT Systeme zu übertreffen und, falls es in den klinischen Betrieb implementiert wird, die Qualität der Bestrahlungsplanung verbessern kann.

Ion beam therapy is a well-established method to treat deep-seated tumours close to organs at risk. By exploiting the relatively low entrance dose (plateau) and sharp maximum (Bragg peak) at the end of the particle’s range, high doses can be delivered to the treatment volume while minimising the exposure to the surrounding healthy tissue. However, to accurately calculate the position of the Bragg peak, precise knowledge of the stopping power (SP) distribution of the traversed tissue is required. Currently, SP values are extracted from conventional x-ray computed tomography (CT) scans, which is a primary source of inaccuracy due to the necessary conversion from the obtained photon attenuation coefficients to SP values. A promising solution to overcome those inherent conversion errors is ion computed tomography (iCT), which uses clinical ion beams in the plateau region to determine the SP directly. Typical iCT scanners consist of a tracking system to estimate the particle path through the patient and a separate residual energy or range detector for energy loss measurements. The main objective of this thesis was to develop and test an iCT demonstrator within the pCT collaboration at HEPHY and TU Wien and to explore possible upgrade solutions based on 4D-tracking detectors. For that purpose, this thesis was split into two parts. First, an iCT demonstrator, consisting of plastic scintillator slabs as a range telescope and double-sided silicon strip detectors as a tracker, was built from existing hardware. This mainly involved repairing and upgrading the residual range telescope and establishing a synchronisation mechanism with the tracker. The performance of the iCT demonstrator was then tested at the MedAustron particle therapy centre by imaging a 1 cm^3 aluminium stair phantom and comparing the imaging results to a Monte Carlo simulation of the experimental setup. In total, 80 proton computed radiographs could be recorded at 100.4 MeV and used for the image reconstruction. Based on measurement results, the most limiting factors of the current design could be identified. Also, possible upgrade solutions are discussed. Second, the feasibility of a time-of-flight proton computed tomography (TOF-pCT) system based on 4D-tracking detectors, e.g. low gain avalanche detectors (LGADs), was investigated via Monte Carlo simulations. After creating a model of a realistic TOF-pCT scanner, an extensive analysis of the individual system parameters was performed, which allowed identifying the most important design aspects and design requirements. In addition, a novel ion imaging concept, which does not require a residual energy measurement, is introduced. This study shows that a TOF-pCT system could potentially outperform the latest imaging detectors and, once implemented, improve the quality of treatment planning in ion beam therapy.