German Title: Untersuchung eines Flachbilddetektors für Ionenradiographie

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Abstract

Using heavy ions in radiotherapy offers a good potential for targeted radiation of tumors and the ability to spare healthy tissue. Their characteristic interaction with matter holds the potential to employ ions for high-contrast radiographic imaging at a decreased dose in comparison to conventional X-ray imaging; however, it lacks simple detectors suitable for this purpose. In this study the performance of an amorphous silicon flat-panel detector, originally designed for photon imaging, was investigated for radiographic and tomographic imaging with ions. After the application of a newly-developed image correction routine, the flat-panel detector is capable of ion-radiographic imaging with high soft-tissue contrast. Further, the flat-panel detector was exploited to measure the water equivalent thickness (WET) of phantoms. To do so, the ambiguous correlation of detector signal to particle energy was overcome by active carbon ion beam energy variation and measurement of the signal-to-energy correlation. Using this method has enabled the study to determine the WET of the imaged object with an accuracy better than 1.5 mm WET. It is an improvement by a factor of about 2 with respect to the standard clinical method. Finally, the study has shown the feasibility of this imaging technique for high-resolution carbon ion computed tomography and determination of water equivalent path length (WEPL) accordingly. The developed imaging techniques present a method to measure the two-dimensional maps of WET and WEPL of complex phantoms with a simple and commercially available detector. The required doses in this configuration are too high (e.g. WET: 0.05 Gray, WEPL: 8 Gray) to be used for patient imaging, but this method presents a powerful tool to evaluate the performance of the treatment planning algorithm by studying range uncertainties.

Translation of abstract (German)

Der Gebrauch von Schwerionen in der Radiotherapie ermöglicht gezielt Tumore zu bestrahlen und gesundes Gewebe weitgehend zu schonen. Theoretisch besteht die Möglichkeit, die Besonderheiten der Wechselwirkung von Ionen mit Materie zur Bildgebung mit hohem Bildkontrast bei niedriger Dosis zu nutzen. Allerdings wurde der ideale Detektor für diese Art von Bildgebung noch nicht gefunden. In dieser Arbeit wurde das Verhalten eines Flachbild-Detektors aus amorphem Silizium in der radiographischen und tomographischen Bildgebung mit Ionen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass nach Anwendung einer entwickelten Bildkorrektur, der Weichteilgewebekontrast in den Ionen-Radiographien besser gegenüber konventionellen Photonen-Radiographien ist. Weiterhin wurde der Flachbild-Detektor zum Messen von wasseräquivalenten Dicken (WET) verwendet. Dafür wurde ein spezielles Verfahren entwickelt bei dem die Energien des Ionenstrahls variiert werden und somit eine Korrelation des Detektorsignals zur primären Energie der Teilchen zustande kommt. Diese Technik erlaubt eine Messgenauigkeit von 1.5 mm WET, was einer Verbesserung des klinischen Standards um einen Faktor 2 gleich kommt. Darüber hinaus wurde diese Messmethode zur Messung von wasseräquivalenten Weglängen (WEPL) durch Kohlenstoff-Computertomographie eingesetzt. Auf Grund der relativ hohen Ionendosen, die zur Messung von WET- und WEPL Verteilungen benötigt werden (Größenordnung: WET: 0.05 Gray, WEPL: 8 Gray), ist dieses Messprinzip, in der hier präsentierten Form, nicht für die Anwendung am Patienten geeignet. Die in dieser Arbeit entwickelten Verfahren haben großes Potential zur Verifikation des Bestrahlungsplanungssystems, da zweidimensional berechnete Verteilungen von wasseräquivalenten Dicken und Weglängen mit hoher Genauigkeit gemessen werden können.