PaNTERA: Proton Radiography towards medical applications

Heavy ion radiotherapy is an accepted form of cancer therapy especially suitable for the precise and effective treatment of tumors close to organs at risk. The high precision of the treatment is currently achieved by using patient geometry data captured using X-ray computed tomography. With the application of new imaging methods directly measuring the density and stopping power of the patient tissue the present accuracy could be further improved. One of the promising alternatives to X-ray computed tomography is high energy proton radiography capable of providing a precise density analysis of target materials. Within the scope of this work several experimental approaches towards the effective accuracy of this technique regarding density reconstruction were made using different types of targets (simple step wedges and head phantoms). The investigations especially focused on the applicability of radiographic images for treatment planning based on either conventional X-ray data being recalibrated with the help of single proton projections or native proton computed tomography. All of the presented experiments were conducted during parasitic beam times at the LANL pRAD facility in New Mexico, USA. Several issues regarding the stability of the accelerator as well as the optical quality of the available detector systems were disclosed. Nevertheless, high energy proton radiography proved to deliver a more accurate density reconstruction than conventional calibration approaches. Further investigations with the GSI in-house treatment planning software TRiP98 revealed a significant difference in dose coverage of a virtual tumor volume when using different patient base data (X-ray computed tomography vs. recalibrated X-ray computed tomography vs. proton tomography). Although the current clinical method provided a good result in soft tissue regions, at higher densities, e.g. in the density range of bones, a significantly larger deviation was monitored. This could in specific cases lead to an ineffective treatment of tumors or even to an unwanted dose deposition in healthy organs with the conventional imaging approach. High energy proton radiography promises to be a suitable technique for medical imaging purposes. Although current facilities are not yet designed for such applications, future treatment centers could be designed in a way to exploit the benefits of this technique. Beforehand, several improvements and modifications to those setups will be mandatory to advance the technique towards clinical implementations. Future experiments for medical applications are scheduled for the FAIR phase 0. Those will focus on including a suitable method for measuring the stopping power of the incident particles. A quality comparison to X-rays at equal dose deposition is planned as well.

Schwerionentherapie ist eine anerkannte Form der Tumortherapie, die sich auf Grund ihrer Präzision und Effektivität insbesondere zur Behandlung von Tumoren in der Nähe von Risikoorganen eignet. Ermöglicht wird diese hohe Genauigkeit durch Aufnahmen der Patientengeometrie mit Röntgentomographie. Durch den Einsatz von neuartigen Bildgebungsmethoden, die direkt die Dichte sowie das Bremsvermögen der verwendeten Ionen im Gewebe messen, kann diese Präzision weiter gesteigert werden. Eine vielversprechende Alternative zu Röntgentomographie ist die hochenergetische Protonenradiographie, die eine präzise Dichterekonstruktion verschiedenster Materialien ermöglicht. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene Untersuchungen hinsichtlich der Genauigkeit der Dichterekonstruktion von hochenergetischer Protoenenradiographie mit verschiedenen Targets durchgeführt (Stufentargets und Kopfphantome). Ein besonderer Fokus lag dabei auf der Eignung der aufgenommenen Radiographien zur Bestrahlungsplanung, welche sowohl mit rekalibrierten Röntgentomographien als auch mit Protonentomographien durchgeführt wurde. Alle Experimente fanden im Rahmen von parasitären Strahlzeiten an der pRAD Anlage des LANL in New Mexico, USA statt. Obwohl während der Durchführung der Experimente mehrere Schwierigkeiten mit der Stabiliät des Beschleunigers sowie den optischen Abbildungseigenschaften der Detektoren festgestellt wurden, konnte eine exaktere Dichterekonstruktion der Protonenaufnahmen gegenüber herkömmlichen rekalibrierten Röntgenaufnahmen nachgewiesen werden. Weitere Untersuchungen mit der Bestrahlungsplanungssoftware der GSI (TRiP98) legten eine signifikant unterschiedliche Dosisabdeckung eines Tumors bei Verwendung unterschiedlicher Daten zur Patientengeometrie (Röntgen CTs gegenüber Protonen CTs) offen. Obwohl im Bereich der üblichen Dichten von Gewebe gute Ergebnisse mit der konventionellen Technik erreicht wurden, konnten signifikante Abweichungen bei höheren Dichten, wie man sie beispielsweise in Knochen vorfindet, beobachtet werden. Dieser Umstand kann in speziellen Fällen zu einer reduzierten Effektivität der Bestrahlung oder sogar zu einer ungewollten Dosisdeposition in gesundem bzw. Risikogewebe führen. Hochenergetische Protonenradiographie verspricht eine vielversprechende Methode für die klinische Bildgebung zu werden. Obwohl aktuelle Anlangen noch nicht für derartige Anwendungen konzipiert sind, wäre eine Implementierung in zukünftigen Bestrahlungszentren zur Ausnutzung der Vorteile dieser Technik durchaus denkbar. Zuvor sind jedoch umfassende Modifikationen und Verbesserungen der Radiographieanlagen notwendig, um die Technologie reif für den klinischen Einsatz zu machen. Weitere Experimente zur medizinischen Bildgebung basierend auf dieser Methode sind bereits für die FAIR Phase 0 vorgesehen. Ein besonderer Fokus wird dabei auf einer geeigneten Methode zur Bestimmung des Bremsvermögens liegen, ebenso ist ein Vergleich der Bildqualität mit Röntgentomographie bei gleicher Dosisdepostion im Patienten geplant.