Sviluppo di un modulo di rivelazione basato su silicon photomultiplier per sistemi di imaging in protonterapia

The number of patients being treated with particle is steadily increasing in radiation oncology. The main reason is the physical characteristic of the depth dose curve with a dose peak (Bragg peak) able to target only the tumoral cells, limiting the dose to healthy tissues. However, treatments delivered by proton therapy are affected by uncertainties on the range of the beam within the patient, so it’s very important to control and to monitor the position of the Bragg peak to avoid damages in the healthy tissues. Prompt gamma imaging (PGI) is one of the methods which allow the monitoring of the Bragg peak position. PGI cameras use an indirect conversion architecture: the scintillator is coupled with a photodetectors array, which produces an output signal proportional to the detected light. However, standard SPECT/PET modules cannot be used in PGI, due to the large energy range and count rate. The aim of the GammaRad project, in which is collocated this thesis work, is the development of a prompt gamma detection module based on SiPM (Silicon PhotoMultiplier) able to operate in clinical conditions. In particular, the aim of the thesis work is to realize and characterize the camera in term of energy resolution and dynamic range (SiPM linearity).

Nel corso degli ultimi anni il numero di pazienti che si sottopone a terapie basate su particelle cariche sta sensibilmente crescendo. Questo perchè, a differenza della radioterapia, il profilo della dose recapitata al paziente è caratterizzato da un picco (picco di Bragg) capace di colpire in modo selettivo la massa tumorale, salvaguardando i tessuti sani circostanti. Sebbene la terapia protonica permetta di irradiare le cellule malate con elevata selettività, il range del fascio protonico è caratterizzato da un’incertezza per quanto riguarda la posizione del picco. La gestione ed il controllo di queste forme di incertezza risultano fondamentali, in quanto errori nel posizionamento del picco possono portare al danneggiamento dei tessuti sani. L’imaging dei prompt gamma (PGI) è uno dei metodi di controllo che permettono di monitorare la posizione del picco di Bragg. Le camere per PGI sfruttano un’architettura a conversione indiretta: uno scintillatore è accoppiato ad una matrice di fotorivelatori, i quali producono in uscita un segnale proporzionale alla luce che viene rivelata. I classici moduli di rivelazione SPECT/PET, tuttavia, non risultano adatti all’imaging dei prompt gamma, a causa del loro ampio range energetico e dell’elevato count rate. Lo scopo del progetto GammaRad, all’interno del quale si colloca il lavoro di tesi, è dunque quello di sviluppare un modulo di rivelazione per prompt gamma basato su SiPM (Silicon PhotoMultiplier) capace di operare in strutture cliniche sotto fascio protonico. In particolare, l’obiettivo di questo lavoro di tesi è la realizzazione e la caratterizzazione della camera in termini di risoluzione energetica e di range dinamico (linearità dei SiPM).