German Title: Teilchenbildgebung für die tägliche Bildführung in der Teilchentherapie

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Abstract

Particle therapy exploits the highly localized depth dose profile of protons and light ions to deliver a high dose to the target while largely sparing surrounding healthy tissue. The steep dose gradient at the end of the ions range, known as the Bragg peak, however, also makes particle therapy sensitive to range uncertainties. In current clinical practice, a major cause of range uncertainties resides in the conversion of the treatment planning x-ray CT to the patient specific relative stopping power (RSP) map that is crucial for accurate treatment planning. By measuring the energy loss of particles after traversing the patient, particle imaging enables a more direct reconstruction of the RSP. In this thesis, different aspects towards the clinical implementation of particle imaging are investigated. First, a theoretical description of the point-spread function for different particle radiography algorithms is developed in order to explain observed limitations. A novel filtering technique to remove nuclear interaction events in particle imaging is proposed and high quality experimental helium ion CTs are demonstrated. First results from an experimental comparison between particle and x-ray CT modalities for RSP prediction in animal tissue samples are presented. Furthermore, a novel technique for intra-treatment helium ion imaging based on a mixed helium/carbon beam is explored with that relative range changes in the millimeter regime were observable. Finally, novel particle imaging detector designs are investigated. The thesis highlights the potential of helium ion imaging for pre- and intra-treatment image guidance in particle therapy.

Translation of abstract (German)

Die Teilchentherapie nutzt das hoch-lokalisierte Tiefendosisprofil von Protonen und leichten Ionen, um eine hohe Dosis im Tumorvolumen zu platzieren, während umliegendes, gesundes Gewebe weitreichend geschont wird. Der steile Dosisgradient am Ende der Reichweite der Teilchen in Materie, der Bragg Peak, macht die Teilchentherapie allerdings anfällig gegenüber Reichweitenunsicherheiten. In der aktuellen klinischen Praxis entsteht ein entscheidender Anteil an Reichweitenunsicherheiten durch die Konversion eines konventionellen Röntgen-CTs in das Relative Ionisations-Bremsvermögen (RSP). Die Teilchenbildgebung ermöglicht eine direktere Rekonstruktion der RSP durch das Messen des Energieverlustes von Teilchen nach Durchquerung des Patienten. In dieser Dissertation werden verschiedene Aspekte im Hinblick auf eine klinische Implementierung dieser vielversprechenden Methode untersucht. Zunächst wird eine theoretische Beschreibung der Punktspreizfunktion in der Teilchenradiographie mit verschiedenen Bildgebungsalgorithmen präsentiert. Im Weiteren wird eine neuartige Filtermethode für die Bildgebung mit Helium- Ionen vorgestellt, mit welcher sekundäre Teilchen und solche, die eine nukleare Interaktion erlitten, von den relevanten Primärteilchen unterschieden werden können. Mittels dieser Methode werden experimentelle Helium-Ionen CTs mit einer RSP Genauigkeit von besser als 0.5% erzielt. Erste experimentelle Ergebnisse eines Vergleichs zwischen Teilchen- und Röntgen-CTs für die RSP Rekonstruktion werden präsentiert. Außerdem wird eine neuartige Methode für die Teilchenbildgebung während der Bestrahlung mittels eines gemischten Helium/Kohlenstoff Ionenstrahls untersucht und es wird gezeigt, dass es eine solche Methode ermöglicht, relative Reichweitenunterschiede im Millimeter-Bereich zu detektieren. Abschließend werden neuartige Detektorkonzepte für die Teilchenbildgebung untersucht. Die Ergebnisse der Dissertation verdeutlichen das Potential der Teilchenbildgebung und insbesondere der Helium-Ionen Bildgebung für die bildgeführte Teilchentherapie.