Chairs: Thilo Michel (Erlangen), Katia Parodi (Garching b. München) V 94 Ionoakustische Reichweitenbestimmung für die Protonentherapie
S. Lehrack1, W. Assmann1, D. Bertrand2, S. Henrotin2, J. Herault3, V. Heymans2, F. Vander Stappen2, P. G. Thirolf1, M. Vidal3, J. Van de Walle2, K. Parodi1
1Lehrstuhl für medizinische Physik der Ludwig-Maximilans-Universität München, Garching b. München, Deutschland
2Ion Beam Applications, Louvain-la-Neuve, Belgien
3Centre Antoine Lacassagne, Nizza, Frankreich Einleitung
Die Vorteile der Strahlentherapie mit Protonen können nach wie vor in der Klinik nicht vollständig genutzt werden wegen der Positi-onsungenauigkeit des Dosismaximums (Braggpeak). Neuere Bestrahlungstechniken mit örtlich wie zeitlich konzentrierten Protonen-pulsen erzeugen im Braggpeak ein Ultraschall-Signal, das zur akustischen Ortung der Braggpeak-Position genutzt werden kann (Iono-akustik). In diesem Beitrag untersuchen wir die mit dieser neuen Messmethode erreichbare Positionsgenauigkeit im Wasserphantom bei klinischen Protonenenergien.
Material & Methoden
Durchgeführt wurden die Messungen bei Energien von 145 MeV bis 227 MeV an einem supraleitenden Synchro-Zyklotron (S2C2, IBA).
Die erzeugten Ultraschallsignale wurden mit einem hochsensitiven Hydrophon (C305X, Cetacean) aufgenommen und einem schnellen Digitaloszilloskop (PicoScope6404, PicoTech) gespeichert. Getriggert wurde die Datenaufnahme mit einem Plastikszintillator über die prompten Reaktionsgammas beim Eintreffen der Protonen im Wasserphantom. Aus dem Eintrittszeitpunkt der Protonen, der Laufzeit des Signals vom Braggpeak zum Hydrophon und dessen Abstand von der Wasseroberfläche kann bei axialer Bestrahlungsgeometrie die Reichweite der Protonen direkt bestimmt werden. Die gemessenen Reichweiten aus den ionoakustischen Messungen wurden verglichen mit teilweise parallel durchgeführten Ionisationskammer-Messungen (StingRay, IBA Dosimetrie).
Ergebnisse
Die ionoakustisch bestimmten Reichweiten stimmen besser als 1 mm mit den Ionisationskammer-Messungen überein. Das schwache Ultraschallsignal macht eine Messungsmittelung notwendig, für eine Präzision von 1 mm musste eine BraggpeDosis von 4 Gy ak-kumuliert werden. Die Hauptfrequenz des akustischen Signals liegt im 10-kHz-Bereich und somit genau im Arbeitsbereich eines Hyd-rophons. Die inhärente Protonenpulsbreite des Synchro-Zyklotrons von knapp 4 µs passt optimal zur ionoakustischen Messtechnik.
Zusammenfassung
Mittels Ionoakustik konnte die Braggpeak-Position mit Submillimeter-Genauigkeit bei klinischen Strahlbedingungen bestimmt wer-den. Für den Einsatz in der Protonentherapie muss allerdings die Nachweiseffizienz des Ultraschallsignals noch deutlich verbessert werden. Diese neuartige Messmethode verspricht dafür in vielen Fällen eine kostengünstige in-vivo Reichweitenbestimmung mit der attraktiven Perspektive einer Kombination mit konventioneller Ultraschallbildgebung.
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V 95 Untersuchung von Detektoren für die Kombination von In-Beam-PET mit Prompt Gamma Messun-gen in der Protonentherapie
M. Iltzsche1,2, B. Lutz1, D. Weinberger1, A. Wagner1, W. Enghardt3,2,4, G. Pausch3, T. Kögler3, K. Römer1
1Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), Institute of Radiation Physics, Dresden, Deutschland
2Technische Universität Dresden, Faculty of Medicine and University Hospital Carl Gustav Carus, Dresden, Deutschland
3Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), Institute of Radiooncology – OncoRay, Dresden, Deutschland
4German Cancer Consortium (DKTK), Dresden, Deutschland
Die Partikeltherapie ist eine etablierte Methode bei der Tumorbehandlung. Ihr entscheidender Vorteil gegenüber der konventionellen Photonentherapie liegt im abrupten Abfall der Tiefendosiskurve nach Erreichen des Dosismaximums (Bragg-Peak). So kann die Schä-digung gesunden Gewebes bei der Bestrahlung minimiert werden. Eine In-vivo Reichweitekontrolle zur Berücksichtigung möglicher Reichweitevariationen zum Beispiel infolge morphologischer Veränderungen ist aber essentiell. Das klassische Verfahren zur Reich-weitekontrolle in der Partikeltherapie ist die Positronen-Emissions-Tomographie (PT-PET), die auf der Messung von Annihilations-strahlung beruht [1]. Alternative Methoden nutzen hingegen prompte GammaAnnihilations-strahlung [2].
Eine Kombination dieser komplementären Techniken unter Nutzung des Single-Plane Compton Imaging Prinzips [3] könnte die Ge-nauigkeit der Reichweitebestimmung verbessern. Dieser Beitrag untersucht Detektoren zur Realisierung dieser Idee. Dazu wurde ein Multi-Anode-PMT mit einem BGO-Kristall-Array versehen. Die Datennahme erfolgte über CAEN-Digitizer. Die Forderung guter Zeit- und Energieauflösung in einem weiten dynamischen Bereich stellt hohe Anforderungen an das Messsystem. Die Messungen wurden sowohl im Labor als auch am Protonenstrahl des Universitätsklinikum Carl Gustav Carus durchgeführt.
Literatur
[1] K. Parodi et al., Physics in medicine and biology. 47 (2002) 21-36 [2] J. Krimmer et al., Nucl. Instr. Meth. A878 (2017) 58-73
[3] G. Pausch et al., 2016 IEEE NSS/MIC Conference Record, Paper No. 8069921
V 96 Single plane compton imaging – a novel concept for in vivo range verification
J. Berthold1,2, G. Pausch2,3, K. Römer4, A. Straessner1, T. Werner2,3, T. Kögler1,2,3
1Technische Universität Dresden, Dresden, Deutschland
2OncoRay – National Center for Radiation Research in Oncology, Faculty of Medicine and University Hospital Carl Gustav Carus, Technische Universität Dresden, Helmholtz-Zentrum Dresden - Rossendorf, Dresden, Deutschland
3Helmholtz-Zentrum Dresden - Rossendorf, Institute of Radiooncology – OncoRay, Dresden, Deutschland
4Helmholtz-Zentrum Dresden - Rossendorf, Institute of Radiation Physics, Dresden, Deutschland
In vivo range verification is going to play an important role in further improvement of proton therapy. There is the advantage of high local dose deposition in the tumor; the downside is an extreme sensitivity to range uncertainties arising e.g. from the conversion of CT Houndsfield units to proton stopping power and interfractional changes of the tissue. Therefore, the in vivo online verification of the proton range is demanded. There are already various ideas for range verification based on the detection of prompt gamma rays emitted along the proton track in tissue [1]. Single-Plane-Compton-Imaging [2] is another concept of extracting the proton range from prompt gamma radiation. It is based on the idea of the “Directional Gamma Radiation Detector” [3]-[4]. Key feature of the detection system, compared to conventional Compton cameras, is only one detection plane which is divided in a number of pixels. The energy sharing between the different pixels, caused by Compton scattering, depends on the location of the gamma radiation source with respect to the pixels. It can thus be used for reconstructing the source position.
First results of a proof-of-principle experiment performed at OncoRay will be presented. Common scintillation detectors arranged head-to-head were used. The crystals were coupled to photomultipliers and read out by the digital spectrometer U100 from Target Systemelektronik. Results of a Monte-Carlo-based Geant4 simulation will also be shown.
Literature
[1] J. Krimmer et al., NIM A878 (2018) 58
[2] G. Pausch et al., 2016 IEEE NSS/MIC Conference Record, paper no. 8069921.
[3] A. Gueorguiev et al., U.S. patent no. 8299441 B2, Oct. 2012 [4] G. Kraft et al., U.S. patent no. 8030617 B2, Oct. 2011
Appendix 1
Fig.: This figure of merit is showing the difference of means of coincident energy spectra with energy cut at distances z of the source relative to the detector pair.
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V 97 Detection of cherenkov photons from compton-scattered electrons for medical applications
R. Bayerlein1, A. Ali1, H. Bäcker1, R. Brück2, R. Brill3, T. Conka 3, I. Fleck1, L. Furenlid 4, S. Heidbrink1, W. Khalid1, M. Mielke2, A. Sal-man1, R. Schmidtbauer1, A. Walenta1, U. Werthenbach1, J. Winter1, M. Ziolkowski1
1Universität Siegen, Experimentelle Teilchenphysik, Siegen, Deutschland
2Universität, Mikrosystementwurf, Siegen, Deutschland
3Universität, Nashville, TN, Vereinigte Staaten
4Universität, Arizona, AZ, Vereinigte Staaten Introduction
Radiation therapy and modern nuclear medicine could benefit from efficient detectors for higher energy gamma rays up to several MeV, where common detectors show insufficient detection efficiency.
Materials & Methods
In the two-layer-system of a so called Compton Camera a concident detection of a Compton scattered electron together with the absorbed gamma is performed allowing for a reconstruction of the gamma-ray track based on kinematic considerations.
In order to conduct a position- and momentum sensitive measurement of the Compton-scattered electrons, a new concept is pro-posed: Cherenkov photons created by these high-energetic electrons are detected in coincidence on an array of Silicon Photomulti-pliers (SiPM) enabling a reconstruction of the characteristic Cherenkov cone. Knowing the refractive index of the scattering material and measuring the size and shape of the ellipse on the detection layer, the interaction vertex, electron energy and momentum direc-tion can be reconstructed.
Results
In this talk, as a proof of principle, the first detection of Cherenkov light from electrons from a β-source are shown. Acrylic glass, as a radiator material, is optically coupled to a 4x4 channel SiPM array. The Cherenkov photons are coincidently detected within a few hundred picoseconds and the measured number of photons agrees well with the expectation. The influence of type and thickness of the radiator is investigated as well as the ability to reconstruct patterns on the array. Results will also be shown for two different SiPM-types, in the visible light range and in the near UV.
Summary
A successful coincident detection of Cherenkov photons from Compton-scattered electrons as an improvement and extension of the Compton Camera enables to build efficient detectors with sufficient spatial and excellent timing resolution. A proof of principle is given in this talk.
Appendix
photon_count.png: Pattern of Coincident Cherenkov Photons on an array with 3x3mm² per channel.
V 98 Gamma-Dosimetrie mit dem Dosepix-Detektor
S. Schmidt1, T. Michel1, P. Hufschmidt1, D. Haag1, O. Hupe2, H. Zutz2, J. Roth2, M. Campbell3, X. Llopart Cudie3, R. Ballabriga Sune3 W. Wong4
1Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, ECAP, Erlangen, Deutschland
2Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Braunschweig, Deutschland
3CERN, Genf, Schweiz
4University of Geneva, Genf, Schweiz Einleitung
In der Radiologie tritt häufig gepulste Röntgenstrahlung auf. Vor einigen Jahren zeigte sich, dass elektronische Personendosimeter die Tiefen- und Hautdosen in gepulsten Strahlungsfeldern nicht immer korrekt erfassen können. Dies ist insofern ein Risiko, da in Unfall-situationen eine Warnung des aktiven Dosimeters unter Umständen ausbleibt. Vor einigen Jahren wurde der Dosepix-Detektor – ein photonenzählender Pixeldetektor – entwickelt, der durch seine feine Pixelierung die Personendosimetrie auch in gepulsten Strah-lungsfeldern erlauben soll.
Material & Methoden
Der Dosepix ist ein pixelierter, hybrider Röntgendetektor. Er besteht aus einem in der 130 nm CMOS Technologie entwickelten pixe-lierten ASIC mit 220 µm Pixelpitch, der pixelweise mit einer Sensorschicht aus Silizium verbunden wird. Der Sensor besitzt vier Zeilen mit kleinen Pixeln mit 55 µm Kantenlänge und zwölf Zeilen aus Pixeln mit 220 µm Kantenlänge. In jedem Pixel stehen 16 Energiekanäle zur Zählung von Photonen gemäß der durch sie deponierten Energie zur Verfügung. Die deponierte Energie wird als Time-over-Threshold gemessen. Jedem Energiekanal ist zur Bestimmung der Dosis ein spezieller Konversionsfaktor zugeordnet. Die Dosis wird durch eine Summation aller Einträge pro Energiekanal, jeweils skaliert mit dem zugehörigen Konversionsfaktor, rekonstruiert. Zur korrekten Dosisrekonstruktion müssen die Energieschwellen der Energiekanäle in jedem Pixel individuell eingestellt werden. Die Kon-versionsfaktoren können beispielsweise mittels einer Monte-Carlo-Simulation bestimmt werden. Die Schwierigkeit der Dosismessung mit Siliziumsensoren, vor allem bei kleinen Pixeln, besteht darin, dass, dominant bei Energien von mehr als 60 keV, die im Pixel depo-nierte Energie nicht der Energie des einfallenden Photons entspricht. Nach Einstellung und Kalibration des Detektors wurden an der PTB Messungen der Personendosis bei unterschiedlichen Energien und Dosisraten durchgeführt.
Ergebnisse
Erste Messungen von Personendosen zeigen die prinzipielle Funktionsfähigkeit der Dosisbestimmung mit photonenzählenden Pixel-detektoren, auch bei sehr hohen Dosisleistungen.
Zusammenfassung
In diesem Beitrag wird das Prinzip der Dosisrekonstruktion aus den mit photonenzählenden Silizium-Pixeldetektoren gemessenen Daten vorgestellt. Erste Messungen von Personendosen mit dem zur Dosimetrie entwickelten Dosepix-Detektor werden präsentiert.
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