طراحی مفهومی آشکارساز و بازسازی تصویر یک سیستم دوربین کامپتون مورد استفاده در ارزیابی توزیع دز باریکه‌ی پروتون در حین پروتون درمانی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 1. دانشکده‌ی فیزیک و مهندسی انرژی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، صندوق پستی: 4413-15875، تهران ـ ایران

2 2. پژوهشکده‌ی فیزیک و شتابگرها، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، سازمان انرژی اتمی ایران، صندوق پستی: 1339-14155، تهران ـ ایران

چکیده

در این مقاله یک سیستم تصویرگیری دوربین کامپتون متشکل از چندین لایه آشکارساز پرا­کننده از جنس سیلیم و یک لایه­ی آشکارساز جاذب از نوع لوتسیم- ایتریم اکسی اورتوسیلیکات (LYSO)، طراحی و توسط کُد جیانت شبیه‏سازی شد. ابتدا با استفاده از یک چشمه­ی نقطه‏ای گاما با انرژی‏های مختلف، کارایی و دقت سیستم برحسب تعداد آشکارسازهای پراکننده محاسبه و بهینه شد. پس از انتخاب بهترین چینش که شامل تعداد ده لایه آشکارساز پرا‏کننده بود، دو مجموعه­ی مشابه از دوربین کامپتون، عمود بر باریکه­ی پروتون و رو­به­روی هم در دو سمت فانتوم آب قرار داده شدند تا مکان گسیل گاما‏های آنی حاصل از برهم­کنش هسته‏ای پروتون با فانتوم را تصویرگیری نمایند. برای تصویرگیری گاما، اطلاعاتی شامل انرژی‏های به­جامانده از پدیده­ی کامپتون در یکی از آشکارسازهای ده گانه­ی سیلسیم و از پدیده­ی فوتوالکتریک در آشکارساز جاذب و هم­چنین مکان برهم­کنش‏ها در قالب روت ثبت شد. سپس با استفاده از الگوریتم بازسازی تصویر دوربین کامپتون، در محیط نرم‏افزار متلب، نمایه­ی مکانی تولید گاماها به­دست آمد. مقایسه­ی توزیع گاما با توزیع دز نشان داد که مجموعه­ی دوربین کامپتون می‏تواند در ارزیابی بُرد باریکه­ی پروتون درحین پروتون‏درمانی، از طریق آشکارسازی گاماهای آنی، با خطای کم­تر از mm 7 مورد استفاده قرار گیرد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Detector conceptual design and image reconstruction of a compton camera system used for verification of proton beam dose distribution during proton therapy

نویسندگان [English]

  • Sh Ghafari 1
  • Z Riazi 2
  • H Afarideh 1
چکیده [English]

In this study, a Compton camera imaging system containing several scatterer layers made of Si and a LYSO detector as an absorber layer were designed and simulated using Geant4 code. At first, the efficiency of the system according to the number of scatterer layers was optimized using a gamma point source with various energies. After finding the best structure of the system which contains 10 layers of scatterer, two similar setup of Compton camera were placed perpendicularly to the proton beam around the phantom to take image of the position of the prompt gamma emission resulted from the nuclear interaction of the proton beam with the phantom. In order to imaging the gammas, information such as interaction positions and deposited energies in the scatterers and absorber were recorded by Geant4 code in a root file. Then, using a Compton camera reconstruction algorithm, production position profile of gammas was reconstructed in a MATLAB software. A Comparison of the gamma photon distribution and dose distribution showes that this Compton camera structure is able to measure the proton beam range with less than 7 mm error, which proves the capability of prompt gammas detection for verification of the proton beam range during proton therapy.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Proton therapy
  • Compton camera
  • image reconstruction
  • Geant4 code
 

1. K.W.D. Ledingham et al. Towards Laser Driven Hadron Cancer Radiotherapy: A Review of Progress, Appl. Sci. 4, 402 (2014).

2. E. Fokas et al. Ion beam radiobiology and cancer: time to update ourselves, Biochimica et Biophysica Acta (BBA) Reviews on Cancer. 1796(2), 216 (2009).

3. P. Dendooven et al. Short-lived positron emitters in beam-on PET imaging during proton therapy, Phys. Med. Biol. 60, 8923 (2015).

4. W. Enghardt et al. Charged hadron tumor therapy monitoring by means of PET, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A. 525(1-2), 284 (2004).

5. K. Parodi et al. PET/CT imaging for treatment verification after proton therapy: a study with plastic phantoms and metallic implants, Med. Phys. 34(2), 419 (2007).

6. K. Parodi, T. Bortfeld and T. Haberer, Comparison between in-beam and offline positron emission tomography imaging of proton and carbon ion therapeutic irradiation at synchrotron- and cyclotron-based facilities, Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys. 71(3), 945 (2008).

7. F. Stichelbaut and Y. Jongen, 39th Meeting of the Particle Therapy Co-Operative Group (San Francisco 2003), pp. 16-21.

8. C.H. Min et al. Prompt gamma measurements for locating the dose fall off region in the proton therapy, Applied physics letters. 89(18), 183517 (2006).

 

9. M. Richard et al. Design study of the absorber detector of a Compton camera for on-line control in ion beam therapy, IEEE Transactions on Nuclear Science. 59(5), 1850 (2012).

10. J. Krimmer et al. Prompt-gamma monitoring in hadrontherapy: A review, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section, A. 878, 58 (2018).

11. E. Testa et al. Monitoring the Bragg peak location of 73MeV/u carbon ions by means of prompt-γ ray measurements, Applied physics letter. 93, 093506 (2008).

12. C. Richter et al. First clinical application of a prompt gamma based in vivo proton range verification system, Radiotherapy and Oncology. 118(2), 232 (2016).

13. A. Studen et al. First coincidences in pre-clinical Compton camera prototype for medical imaging, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section, A. 531(1-2), 258 (2004).

14. A. Karimian et al. Iranian Phyics Conference (CIVILCA, Kashan, 1387), 140-144 (In Persian).