Geant4 simulations for ion CT image reconstruction

Abstract

Ionentherapie wird weltweit bereits in vielen Einrichtungen eingesetzt, da sie die Möglichkeit bietet, tief sitzende Tumore mit Ionen aus einem Beschleuniger zu bestrahlen und dabei das gesunde Gewebe zu schonen. Um die Planung für die Therapie möglichst exakt zu gestalten, ist eine genaue Kenntnis des Energieverlusts der Ionen pro Wegstrecke (Bremsvermöen, Stopping Power) innerhalb des Patienten nötig. Eine Möglichkeit diesen zu bestimmen, bietet die Ionen-Computertomographie (CT). Der Vorteil dieser Methode liegt daran, dass dieselbe Teilchenart sowohl für Bildgebung (Bestimmung der Stopping Power) als auch für die anschließende Therapie verwendet werden kann. Dadurch kann die Genauigkeit der Therapie verbessert werden, da Ungenauigkeiten durch Umrechnung von anderen Methoden mit anderen Teilchenarten (wie beispielsweise Photonen) vermieden werden. Der Aufbau für die Bildgebung mit Ionen besteht üblicherweise aus einem Tracking-System um Ein- und Austrittspunkt des Ions zu bestimmen und aus einem Kalorimeter, das die verbleibende Energie des Ions am Ende des Aufbaus misst. Zudem muss der Pfad des Ions durch den Patienten, welcher durch mehrfache Coulombstreuung zustande kommt, abgeschätzt werden. Hierfür gibt es unterschiedliche Ansätze wie den Straight Line (SL) oder den Most Likely Path (MLP). Um ein Bild aus diesen Informationen zu generieren, wurden bereits einige unterschiedliche Algorithmen entwickelt. In dieser Arbeit soll ein Überblick über bereits vorhandene Methoden zur Bildrekonstruktion für Ionen-CT gegeben werden. Zudem werden mithilfe des Software Frameworks Geant4 Simulationsdaten für eine einfache Ionen-CT erzeugt. Mit diesen Daten wird eine einfache Bildrekonstruktion durchgeführt, indem ein simpler Ansatz für den Ionenpfad und ein entsprechender Rekonstruktions-Algorithmus gewählt werden. Die resultierenden 3D-Bilder werden in dieser Arbeit gezeigt. Die Algorithmen, welche für diese Rekonstruktion verwendet werden, sollen künftig auch auf reale Daten angewandt werden, welche durch Messungen am MedAustron mit einem vorläufigen Aufbau für ein einfaches Ionen-CT gewonnen werden.

Ion therapy is used in many facilities throughout the world since it offers the possibility to selectively irradiate deep-seated tumours with accelerator-produced ions while healthy tissue can be spared. For accurate treatment planning it is essential to know the ion energy deposition per unit length (stopping power) inside the patient. One suitable method for achieving this is the ion Computed Tomography (CT). A large benefit of this method is that the same particle type can be used for the measurement of the stopping power inside the patient and patient treatment itself. This allows a higher accuracy in treatment planning and reduces range uncertainties which result from the calculation of the stopping power from imaging methods with other particles (such as photons). For ion imaging, the setup usually consists of a tracking system to determine the ion entry and exit point to the patient and a calorimeter to measure the residual particle energy. Additionally, the ion path through the patient - which results from multiple Coulomb scattering - has to be estimated for accurate treatment planning. This can be done with different approaches like Straight Line (SL) or Most Likely Path (MLP). For the image reconstruction from ion path and residual energy, several different algorithms have been developed so far. In this thesis, an overview of image reconstruction methods for ion CT will be given. Furthermore, data will be simulated using the Geant4 software framework. With these data, basic image reconstruction will be performed using a simple ion path estimate and an appropriate reconstruction algorithm. The algorithms are applied to simulated data and 3D reconstructed images are shown. Later these algorithms will be applied to data measured at MedAustron.