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Investigation of novel imaging methods using therapeutic ion beams

Rinaldi, Ilaria

German Title: Untersuchung neuartiger Bildgebungsmethoden unter Einsatz therapeutischer Ionenstrahlen

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Abstract

Imaging techniques play an increasingly important role for treatment planning and in-situ monitoring in ion beam therapy. In this thesis, two novel methods were studied. For real-time in-vivo range verification, FLUKA Monte Carlo simulations were performed to address the detection of prompt gammas, emitted during irradiation of homogeneous and heterogeneous targets, using an ideal detector, highlighting main signal and background features relevant for clinical application. For range monitoring prior to or in-between treatment, a dedicated detector prototype based on a stack of 61 ionization chambers was assembled and its applicability to ion-based transmission imaging was investigated experimentally. Characterization of the set-up in terms of beam parameters and settings of the read-out electronics underlined the potential of heavy ion radiography and tomography as an attractive low dose imaging modality. Possible sources of image artifacts were analyzed and an original method to improve the nominal resolution of the used detector set-up was proposed. The resulting images, expressed directly in water equivalent thickness and path length, of different phantoms of increasing complexity provided a promising proof of principle of ion-based planar and volumetric imaging. Overall, the findings of this thesis strongly support the large potential of the investigated imaging techniques for future clinical use.

Translation of abstract (German)

Bildgebende Verfahren spielen eine immer größer werdende Rolle für die Behandlungsplanung und in-situ Überwachung in der Ionenstrahltherapie. Im Rahmen dieser Dissertation wurden zwei neue Methoden untersucht. Im Hinblick auf Echtzeit in-vivo Reichweitenüberprüfung mit Hilfe von prompt gamma Photonen, die während der Bestrahlung homogener und heterogener Zielobjekte abgestrahlt werden, wurden FLUKA Monte Carlo Simulationen zur Untersuchung der Messbarkeit der Photonen in einem idealen Detektor durchgeführt. Besondere Aufmerksamheit kam den Hauptmerkmalen des Signals sowie des Hintergrundes zu, die für mögliche klinische Anwendungen von Bedeutung sind. Zur Reichweitenüberprüfung vor und während der Behandlung wurde ein spezieller Detektor-Prototyp auf der Grundlage eines Stapels von 61 Ionisationskammern gebaut und dessen Anwendbarkeit für die Transmissionsbildgebung mit Ionenstrahlung experimentell untersucht. Die Charakterisierung des Aufbaus bezüglich Strahlparameter und Einstellungen der Ausleseelektronik hob das Potential von Schwerionenradiographie und -tomographie als attraktive bildgebende Techniken bei niedriger Dosisbelastung hervor. Mögliche Quellen von Bildartefakten wurden analysiert und eine originäre Methode zur Verbesserung der nominalen Auflösung des verwendeten Detektoraufbaus vorgeschlagen. Bilder unterschiedlicher Phantome mit zunehmender Komplexität wurden gewonnen und direkt in wasser-äquivalenter Dichte bzw. Weglänge ausgedrückt. Sie lieferten einen ermutigenden Proof of Principle der planaren und volumetrischen Bildgebung mit Ionenstrahlen. Insgesamt untermauern die Befunde dieser Arbeit deutlich das große Potential der untersuchten bildgebenden Techniken für zukünftige klinische Anwendung.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Parodi, Dr. PD Katia
Date of thesis defense: 17. October 2011
Date Deposited: 25. Oct 2011 08:54
Date: 2011
Faculties / Institutes: Medizinische Fakultät Heidelberg > Heidelberg Ion-Beam Therapy Center (HIT)
Service facilities > German Cancer Research Center (DKFZ)
Subjects: 530 Physics
Uncontrolled Keywords: Ionenstrahltherapie , Bildgebung , Kohlenstoffionenradiographie und -tomographie , Prompt Gammaion beam therapy , imaging , carbon ion radiography and tomography , prompt gammas
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