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Optimization of In-Beam Positron Emission Tomography for Monitoring Heavy Ion Tumor Therapy

Vieira Crespo, Paulo Alexandre :
Optimization of In-Beam Positron Emission Tomography for Monitoring Heavy Ion Tumor Therapy.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2006)

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Overview, Radiotherapy with Carbon Ions - PDF
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Optimum Detector Geometry, In-Beam PET at Ion Beam Deliveries - PDF
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Detector Development, In-Beam PET Imaging, TOF Principles - PDF
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TOF results, Randoms Suppression, Conclusions, Appendices - PDF
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Optimization of In-Beam Positron Emission Tomography for Monitoring Heavy Ion Tumor Therapy
Language: English
Abstract:

In-beam positron emission tomography (in-beam PET) is currently the only method for an in-situ monitoring of highly tumor-conformed charged hadron therapy. In such therapy, the clinical effect of deviations from treatment planning is highly minimized by implementing safety margins around the tumor and selecting proper beam portals. Nevertheless, in-beam PET is able to detect eventual, undesirable range deviations and anatomical modifications during fractionated irradiation, to verify the accuracy of the beam portal delivered and to provide the radiotherapist with an estimation of the difference in dosage if the treatment delivered differs from the planned one. In a first study within this work, a set of simulation and fully-3D reconstruction routines shows that minimizing the opening angle of a cylindrical camera is determinant for an optimum quality of the in-beam PET images. The study yields two favorite detector geometries: a closed ring or a dual-head tomograph with narrow gaps. The implementation of either detector geometry onto an isocentric, ion beam delivery (gantry) is feasible by mounting the PET scanner at the beam nozzle. The implementation of an in-beam PET scanner with the mentioned detector geometries at therapeutic sites with a fixed, horizontal beam line is also feasible. Nevertheless, knowing that previous in-beam PET research in Berkeley was abandoned due to detector activation (Bismuth Germanate, BGO), arising most probably from passive beam shaping contaminations, the proposed detector configurations had to be tested in-beam. For that, BGO was substituted with a state-of-the-art scintillator (lutetium oxyorthosilicate, LSO) and two position sensitive detectors were built. Each detector contains 32 pixels, consisting of LSO finger-like crystals coupled to avalanche photodiode arrays (APDA). In order to readout the two detectors operated in coincidence, either in standalone mode or at the GSI medical beam line, a multi-channel, zero-suppressing free, list mode data acquisition system was built.The APDA were chosen for scintillation detection instead of photomultiplier tubes (PMT) due to their higher compactness and magnetic field resistance. A magnetic field resistant detector is necessary if the in-beam PET scanner is operated close to the last beam bending magnet, due to its fringe magnetic field. This is the case at the isocentric, ion beam delivery planned for the dedicated, heavy ion hospital facility under construction in Heidelberg, Germany. In-beam imaging with the LSO/APDA detectors positioned at small target angles, both upbeam and downbeam from the target, was successful. This proves that the detectors provide a solution for the proposed next-generation, improved in-beam PET scanners. Further confirming this result are germanium-detector-based, spectroscopic gamma-ray measurements: no scintillator activation is observed in patient irradiation conditions. Although a closed ring or a dual-head tomograph with narrow gaps is expected to provide improved in-beam PET images, low count rates in in-beam PET represent a second problem to image quality. More importantly, new accelerator developments will further enhance this problem to the point of making impossible in-beam PET data taking if the present acquisition system is used. For these reasons, two random-suppression methods allowing to collect in-beam PET events even during particle extraction were tested. Image counts raised almost twofold. This proves that the methods and associated data acquisition technique provide a solution for next-generation, in-beam positron emission tomographs installed at synchrotron or cyclotron radiotherapy facilities.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In-beam Positronen Emissions Tomographie (in-beam PET) ist zur Zeit die einzige Methode für eine in-situ Kontrolle der Ionentherapie mit geladenen Hadronen. Bei solch einer Therapie werden die klinischen Auswirkungen einer Abweichung von der Bestrahlungsplanung durch Sicherheitssäume um den Tumor und geeignete Einstrahlrichtungen kompensiert. Darüber hinaus erlaubt die in-beam PET Methode Reichweiteabweichungen und anatomische Veränderungen während der fraktionierten Bestrahlung nachzuweisen. Mittels in-beam PET detektierter Abweichungen ist es möglich, die Differenz zwischen geplanter und applizierter Dosis abzuschätzen. In dieser Arbeit zeigt eine Simulation, die mit einem 3D-Rekonstruktionsprogramm gekoppelt ist, dass die Verminderung des Öffnungswinkels einer zylinderförmigen Doppelkopf Kamera der ausschlaggebende Faktor ist, um eine optimale Qualität der in-beam PET-Bilder zu erhalten. Das Ergebnis der Studie sind zwei bevorzugte Detektoranordnungen: ein geschlossener Ring oder ein Doppelkopf Tomograph mit kleinen, einander gegenüber liegenden Öffnungen für den Eintritt des Therapiestrahls und den Austritt leichter Targetfragmente. Die Integration beider Detektoranordnungen in eine isozentrisch rotierende Ionenstrahlführung (Gantry) ist durchführbar, wenn der in-beam PET-Scanner an die Ionenstrahlführung gekoppelt wird. Es ist auch möglich, einen in-beam PET-Scanner mit den erwähnten Detektoranordnungen an therapeutischen Anlagen mit einer horizontalen Strahlführung zu implementieren. Die vorgeschlagenen Detektorkonfigurationen waren hinsichtlich ihrer Bild gebenden Eigenschaften am Teilchstrahl zu untersuchen - dies ist eine Schlussfolgerung auf die an der Schwerionentherapie-Anlage des Lawrence Berkeley Laboratory eingetretene Situation. Dort konnte in-beam PET nicht in die klinische Nutzung überführt werden, weil es, höchstwahrscheinlich bedingt durch den mit der passiven Formierung des Bestrahlungsfeldes einhergehenden Fluss an Sekundärteilchen, zu einer Aktivierung der Szintillations-Detektoren aus Bismut-Germanat kam. Die Untergrund-ereignisse aus dieser Kristall-Aktivierung verhinderten das Registrieren von in-beam PET Daten mit einem für die Bildgebung ausreichenden Signal-Rausch-Verhähltnis. Deswegen mussten Detektoren basierend auf dem in den 1990er Jahren gefunden Szintillator LSO (Lutetiumoxyorthosilikat), der bereits verbreiteten Eingang in die PET Tracer Bildgebung gefunden hat, auf ihre Eignung für die Bildgebung am Teilchenstrahl untersucht werden. Jeder Detektor besteht aus 32 LSO-Kristallen, welche mit einer Lawinen-Photodioden-Matrix (avalanche photodiode array APDA) optisch gekoppelt sind. Wegen ihrer Kompaktheit und ihrer Unempfindlichkeit gegenüber Magnetfeldern wurden die APDA anstelle von Photomultipliern als Szintillations-Detektoren gewählt. Ein magnetisch unempfindlicher Detektor ist notwendig, wenn der in-beam PET-Scanner nahe dem letzten Magneten der Strahlführung montiert ist. Dies gilt besonders für die geplante isozentrisch rotierende Ionenstrahlführung an der Heidelberger Ionen-Therapie-Anlage, die sich bereits in der Bauphase befindet. Um beide Dektektoren im Koinzidenzmodus sowohl offline, als auch synchronisiert mit der medizinischen Strahlführung der GSI auslesen zu können, wurde ein Mehrkanal-Listmode-Datenerfassungssystem aufgebaut. Eine Mess-Position, bei der der Winkel zwischen den zwei LSO/APDA Detektoren und dem Isozentrum sehr klein war, zeigte gute Ergebnisse für die in-beam PET-Bildgebung. Solche Kleinwinkel-Messungen sind durchgeführt worden, wobei beide Detektoren in Strahlrichtung vor oder hinter dem Target positioniert waren. Dabei hat sich gezeigt, dass die Detektoren eine gute Lösung für die in dieser Arbeit vorgeschlagenen, verbesserten in-beam PET-Scanner sind. Eine weitere Bestätigung dieses Ergebnisses folgt aus Gamma-Spektren, die mit einem Germanium-Detektor aufgenommen wurden. Nach dem Einsatz des Szintillators bei Patientenbestrahlungen war keine Aktivierung des LSO-Szintillators nachweisbar. Obwohl ein geschlossener Ring oder ein Doppelkopf Tomograph mit kleinen Öffnungen verbesserte in-beam PET-Bilder ermöglichen, stellt die niedrige Zählrate beim in-beam PET ein zweites Problem bezüglich der Bildqualität dar. Es wird durch einen erhöhten Untergrund an zufälligen Koinzidenzereignissen während der Strahlextraktion hervorgerufen. Noch wichtiger ist, dass neue Beschleunigerentwicklungen dieses Problem weiter erhöhen werden, bis zu einem Grad, bei dem in-beam PET-Datenaufnahme unmöglich wird, wenn das bisher angewandte Prinzip der Datenerfassung weiter benutzt wird. Es sind zwei Methoden zur Unterdrückung solcher Zufallsereignisse geprüft worden. Beide haben die Synchronisation der detektierten Ereignisse mit der vom Beschleuniger vorgegeben Zeit-Mikrostruktur des Teilchenstrahles zur Grundlage. Eine Methode erreicht diese Synchronisierung durch einen schnellen Teilchendetektor, der vor dem Isozentrum im Strahlweg positioniert ist. Dies ermöglicht, Photonenkoinzidenzen, die während der Extraktion der Ionenpakete detektiert werden, für die Bildrekonstruktion zu verwerfen. Eine zweite Methode besteht in der Synchronisation jeder Photonenkoinzidenz mit dem Hochfrequenz-Signal des Beschleunigers. Die Bildstatistik wurde durch diesen Methoden fast um den Faktor zwei verbessert. Dies zeigt, dass die Methoden und deren Datenerfassungstechnik eine Lösung für zukünftige in-beam Positronen Emissions Tomographen darstellen, unabhängig davon, ob es sich bei dem Therapiebeschleuniger um ein Synchrotron oder Zyklotron handelt.German
Divisions: Fachbereich Physik
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 07 Dec 2012 11:51
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000655
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-6556
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Kraft, Prof. Dr. Gerhard and Braun-Munzinger, Prof. Dr. Peter
Advisors: Kraft, Prof. Dr. Gerhard
Refereed: 21 December 2005
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/655
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