Simulation and optimization of a proton computed tomography setup at MedAustron

Abstract

Protonen Therapie verwendet hochenergetische Protonen um tiefsitzende Tumore zu bestrahlen. Diese Bestrahlungstherapie verlangt die Kenntnis des Bremsvermögen der Protonen im Patienten um eine genaue Vorhersage der Reichweite und der deponierten Dosis der Protonen im Patienten zu treffen. Proton Computed Tomography (pCT) ist eine präzise Methode zur Bestimmung des Bremsvermögen für Ionentherapie. Diese Methode verwendet im Gegenzug zu herkömmlichen Methoden den Ionenstrahl direkt um das Bremsvermögen zu bestimmen. Ein pCT Versuchsaufbau besteht aus zwei Komponenten. Eine Komponente ist ein Tracker, mit dem der Pfad des Ions durch den Patienten bestimmt werden kann. Zusätlich wird auch ein Kalorimeter gebraucht um die abgegebene Energie der Teilchen im Patienten zu bestimmen. Damit der Tracker die Einzelpfade der Teilchen aufzeichnen können, sollten die Teilchenraten niedrig gehalten werden. Aus diesem Grund sind drei neue Teilchenratenreduktionsmethoden am MedAustron entwicklet worden. Diese neuen Raten sind mit einem particle counting und trigger system (PCTS) analysiert worden. Es basiert auf VME Logik und wurde im Rahmen dieser Arbeit entwickelt. Teilchenraten bis zu 1 × 104 p/s konnten gemessen werden. Um das Bremsvermögen im Patienten korrekt abzuschätzen muss der Pfad der Teilchen durch den Patienten bekannt sein. Deswegen wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Tracking-Teleskop, welches aus vier doppelseitigen Silizum Streifendetektoren besteht, designed, in Geant4 simuliert und experimentell getestet. Das fertige Tracking setup wurde verwendet um die Streuung von Protonen an zwei verschiedenen Plastikphantomen zu messen. Die Phantome konnten über einen selbst entwickelten Drehtisch gedreht werden. Die Ergebnisse der Streuversuche wurden mit einer Monte Carlo Simulation verglichen. Die Ergebnisse dieser Versuche haben gezeigt, dass das Beam Teleskop als Tracker für pCT geeignet ist. Auch die experimentell bestimmte Streuverteilungen der Protonen zeigen Ähnlichkeiten mit der in Geant4 simulierten Streuverteilungen. Für ein komplettes pCT Setup müsste man ein geeignetes Kalorimeter mit dem Tracker verbinden.

Proton therapy is a precise method to treat deep-seated tumours, using accelerator produced proton beams. However, for valid predictions of the proton range and dose deposition due to the depth-dose characteristics of the ion beam, it is necessary to know the stopping power inside the patient. One method to achieve this goal is Proton Computed Tomography (pCT), which measures the energy loss of protons at the plateau of the Bragg curve. The main advantage of pCT is that the same type of particles used for therapy is used to measure the stopping power distribution. A pCT setup basically consists of a tracker, which should be able to reconstruct the particle trajectory through the patient and a calorimeter to measure the deposited energy in the patient. The tracker should be able to achieve single particle counting, which requires low particle fluxes. Therefore three different particle flux reduction methods, provided by MedAustron had to be tested experimentally. For this purpose a VME based particle counting and trigger system (PCTS) was developed within this thesis. With this PCTS system, fluxes down to 1 × 104 p/s were measured. In order to calculate the stopping power in the patient correctly, the path of the traversing proton has to be estimated. For this purpose a tracking telescope, consisting of four double-sided silicon strip detectors was designed, simulated with Geant4, optimized and tested experimentally. The scattering power of a plastic phantom, mounted on an in-house made rotary table, was measured and compared to the Geant4 Monte Carlo simulation. The results showed that a functioning beam telescope, which is able to perform particle tracking could be installed. Also the experimentally obtained distorted beam profiles showed similarities to the simulated beam profiles. This tracker combined with a suitable calorimeter would form together a full pCT setup.