A prompt gamma camera for real-time range control in proton therapy

Proton Therapy treatments are affected by uncertainties on the penetration depth of the beam within the patient. For this reason, real-time range control is highly desirable to deliver safer treatments. Real-time range control can be performed by imaging prompt gammas emitted along the proton tracks in the patient. Our approach uses a knife-edge slit collimator to obtain a 1-dimensional projection of the beam path on a gamma camera. The energy spectrum of prompt gammas includes energy events up to 10 MeV and the event rate on a 500 cm3 scintillator is tens of MHz. Standard SPECT and PET modules are not suitable for the purpose and a dedicated gamma camera was designed. The camera features a 3 cm thick LYSO crystal segmented in two rows of 20 slabs with a width of 4 mm and a height of 10 cm. The crystal is coupled to arrays of Silicon Photomultipliers, read out by dedicated electronics boards to perform both spectra acquisition at low rates and photon counting at high rates for profile reconstruction. The prototype was aimed at reaching clinical requirements. The camera was tested in the Proton Therapy Center in Prague using an anthropomorphic phantom on which realistic treatment plans were delivered in pencil beam scanning mode. For each layer of the treatment, acquired profiles corresponding to the single spots were compared to simulated profiles and the shift was retrieved. The study demonstrated that the system is actually suitable for patient treatment monitoring, enabling for the first time the use of this technique during real treatments.

I trattamenti di terapia a protoni sono affetti da incertezze riguardo alla profondità di penetrazione del fascio nel paziente. Per questo motivo, il controllo in tempo reale del range è altamente desiderabile per rilasciare trattamenti più sicuri. Il controllo in real-time può essere effettuato mediante l’acquisizione dei raggi gamma (prompt gamma) emessi lungo le traiettorie dei protoni nel paziente. L’approccio adottato utilizza un collimatore a fessura per ottenere una proiezione unidimensionale del percorso del fascio su una gamma camera. Lo spettro energetico dei prompt gamma include eventi fino a 10 MeV con un rate di 10 MHz su uno scintillatore di 500 cm3. I moduli SPECT e PET standard non sono compatibili alla rivelazione dei prompt gamma, ed è stata quindi progettata una gamma camera dedicata. La camera è costituita da uno scintillatore LYSO con uno spessore di 3 cm, segmentato in due righe di 20 lastre ciascuna, con una larghezza di 4 mm e un’altezza di 10 cm. Il cristallo è accoppiato a array di Silicon Photomultilpier, letti da un’elettronica dedicata per effettuare sia l’acquisizione di spettri che il conteggio di fotoni gamma ad alti rate per ricostruirne i profili. Il prototipo è finalizzato a raggiungere le specifiche per l’utilizzo clinico. La camera è stata testata al centro di terapia a protoni di Praga utilizzando un fantoccio antropomorfo, su cui sono stati rilasciati trattamenti realistici in modalità PBS (Pencil Beam Scanning). I profili acquisiti sono stati confrontati con le simulazioni per ricavarne la deviazione, che corrisponde a uno shift del range. Lo studio ha dimostrato che il sistema è effettivamente utilizzabile per monitorare il trattamento.