German Title: Detektion, Quantifizierung und 3D-Lokalisierung anatomischer Veränderungen mit einem Heliumstrahl-Radiografiesystem auf Basis dünner pixelierter Detektoren

Preview

PDF, English Download (11MB) | Terms of use

Abstract

The clinical use of ion beams facilitates highly precise treatments of patients suffering from cancer. Utilizing the sharp peak in the depth-dose curve of protons and heavier ions, ion-beam radiotherapy treatments exhibit particularly localized dose distributions compared to conventional modalities. However, they are sensitive to changes such as variations in the patient’s anatomy which can occur over the treatment course of typically several weeks. These changes could be assessed prior to each treatment fraction by employing the ion beam itself to generate an image of the patient’s anatomy from beam’s eye view. Despite extensive efforts over the past decades, no ion-beam radiography system is routinely used in clinics yet. Most ion-imaging prototypes require devices with a large material budget. In order to increase the practicability and foster clinical acceptance, a compact detection system was built from thin silicon pixel detectors. However, the system’s ability to precisely measure the clinically relevant quantity for heterogeneous objects is limited. This thesis experimentally investigates the energy-painting approach eliminating this remaining principal limitation of the detection system based on thin detectors. Energy painting subsequently allows for the acquisition of a helium-beam radiograph of an anthropomorphic phantom, which is evaluated regarding its accuracy and compared to clinically used CT modalities based on X-rays. To extract the position of phantom modifications along the beam direction from single ion-beam projections, the 2.5D imaging method is investigated in simulations and experiments. Overall, the system’s capability to detect, quantify, and localize anatomical changes with high spatial resolution is demonstrated. Consequently, this thesis presents fundamental contributions towards a future clinical application of the compact helium-beam radiography system for low-dose verification of the patient’s anatomy prior to ion-beam radiotherapy treatments.

Translation of abstract (German)

Die klinische Anwendung von Ionenstrahlen ermöglicht eine hochpräzise Behandlung von Krebspatienten. Durch die Nutzung des scharfen Peaks in der Tiefendosiskurve von Protonen und schwereren Ionen weisen Ionenstrahl-Therapien im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren eine besonders lokalisierte Dosisverteilung auf. Allerdings sind diese auch anfällig für Veränderungen, z. B. der Patientenanatomie, welche im Laufe der üblicherweise über Wochen andauernden Behandlung auftreten können. Diese Veränderungen könnten vor jeder Behandlungsfraktion beurteilt werden, indem der Ionenstrahl selbst verwendet wird, um ein Bild der Patientenanatomie aus der Perspektive des Strahls zu erzeugen. Trotz umfangreicher Bemühungen in den letzten Jahrzehnten wird aktuell jedoch noch kein Ionenstrahl-Radiografiesystem routinemäßig in Kliniken eingesetzt. Die meisten Prototypen für die Ionenbildgebung erfordern Geräte mit hohem Materialaufwand. Um die Praktikabilität zu erhöhen und die klinische Akzeptanz zu fördern, wurde ein kompaktes Detektionssystem aus dünnen Silizium-Pixeldetektoren gebaut. Die Fähigkeit des Systems, die klinisch relevante Größe für heterogene Objekte präzise zu messen, ist jedoch begrenzt. Diese Arbeit untersucht den Energy-Painting-Ansatz experimentell, durch welchen diese verbleibende wesentliche Einschränkung des auf dünnen Detektoren basierenden Detektionssystems behoben wird. Energy-Painting ermöglicht anschließend die Aufnahme einer Heliumstrahl-Radiografie eines anthropomorphen Phantoms, die hinsichtlich ihrer Genauigkeit bewertet und mit klinisch verwendeter Röntgen-CT-Bildgebung verglichen wird. Um die Position von Phantomveränderungen entlang der Strahlrichtung aus einzelnen Ionenstrahlprojektionen zu extrahieren, wird die 2,5D-Bildgebungsmethode in Simulationen und Experimenten untersucht. Insgesamt wird die Fähigkeit des Systems demonstriert, anatomische Veränderungen mit hoher räumlicher Auflösung zu erkennen, zu quantifizieren und zu lokalisieren. Folglich leistet diese Arbeit einen grundlegenden Beitrag zur zukünftigen klinischen Anwendung des kompakten Heliumstrahl-Radiografiesystems zur Niedrigdosis-Verifizierung der Patientenanatomie vor Ionenstrahl-Therapie-Behandlungen.