High count rate spectroscopy system for prompt gamma imaging

The master thesis work, presented in this report, takes place within a wider project, the GammaRad project, which is being carried on by Politecnico di Milano, in collaboration with other institutions. The main focus of the project is the development of a biomedical imaging system to be used during proton therapy sessions, in order to provide a real-time monitoring of the correct irradiation of the patient. Proton therapy is a physical therapy to cure cancer, developed and diffused during the last decades, as an alternative to traditional radiotherapy: unlike this last one, which uses photons or electrons as radioactive particles, proton therapy uses protons, or hadrons. While photons and electrons, used in traditional radiotherapy, release the most of their energy close to the interaction surface, protons and hadrons release almost all the energy in a specific penetration depth, called Bragg’s Peak: this factor allows to selectively and efficiently hit depth-located tumor mass, with reduced collateral damages to healthy tissues. The GammaRad project aims at developing a system based on Prompt Gamma Imaging, a monitoring method based on the acquisition of secondary radioactive particles, generated as a consequence of the first interaction of protons with the patient: the absorption of the released radiation causes the emission of prompt gamma, which contain information about the very interaction area. The reconstruction of a biomedical image through radioactive rays detection requires a system to convert the phenomenon of interest (gamma rays) in an electric phenomenon, typically an electrical dimension varying with time. The read-out electronic implementation and the further processing techniques are strongly dependent on the conversion mechanism of the detection module. Precisely, the gamma detection module, developed within the GammaRad project, converts gamma-rays into current pulses, through the coupling of a scintillator crystal (a material which emits light photons when exposed to radiations) with a light sensor (a device which erogates a current when hit by light photons). The amplitude of current pulses, emitted by the light sensor, contains information about the incident radiation: when the radiations energy becomes too high (during proton therapy sessions it arrives up to 10-15 MeV), these current pulses occur with very high frequencies, overlapping on each other and causing misreading of the right amplitude, with consequent wrong reconstruction of the information. The overlap phenomenon occurring at high rates, formally defined pile-up, is due to timing features of the single current pulse, precisely to the rise-time (the time that the signal takes to reach the peak value) and the decay-time (the time that the signal takes to return to 0 after the peak value). These parameters depend on the crystal features, on the light detector features and on the read-out electronic. Hence, a read-out electronic for the gammadetection module has been developed, which provides an output voltage signal, proportional to the input current, without introducing further delays or increasing rise-time and decay-time of the input signal. In order to reconstruct the right amplitude of pulses, eventually corrupted by pile-up, researches in literature have been performed to find digital processing techniques. A software has been developed as well, based on a pile-up resolving algorithm, to process the read-out electronic output signal, by reconstructing the pulses’ real amplitudes. This approach, based on the use of a fast read-out electronic and a digital post-processing, is suitable to be used with the gamma detection module developed by GammaRad, to monitor the proton beam range during proton therapy sessions.

Il lavoro di tesi, illustrato in questo elaborato, si colloca all’interno di un progetto più ampio, il progetto GammaRad, a cui il Politecnico di Milano partecipa in collaborazione con altre istituzioni. Scopo del progetto è lo sviluppo di un sistema di imaging biomedicale, che possa essere usato durante sedute di protonterapia, per monitorare, in tempo reale, il corretto irraggiamento del paziente con fasci protonici, per tutta la durata della seduta. La protonterapia è una terapia fisica per la cura del cancro, sviluppatasi e affermatasi negli ultimi decenni come alternativa alla radioterapia tradizionale: a differenza di quest’ultima, che utilizza fotoni ed elettroni come particelle radioattive, i pazienti trattati con protonterapia vengono irraggiati con protoni o adroni. Mentre fotoni ed elettroni, usati in radioterapia tradizionale, rilasciano la maggior parte della dose di energia in prossimità della superficie di impatto con il paziente, gli adroni rilasciano quasi tutta la loro dose di energia ad una determinata profondità, definita picco di Bragg: questo fattore permette quindi di colpire selettivamente e in maniera più efficace masse tumorali collocate in profondità, limitando notevolmente i danni collaterali ai tessuti sani. Affinché l’irraggiamento selettivo avvenga in maniera corretta è necessario monitorare in tempo reale il fascio protonico recapitato. Tra i metodi di monitoraggio esistenti, il progetto GammaRad mira a sviluppare un sistema basato sul Prompt Gamma Imaging (PGI), una tecnica di imaging basata sull’acquisizione di radiazioni generatesi in seguito all’interazione del fascio protonico con il paziente: l’assorbimento della radiazione da parte del paziente causa l’emissione nella zona di interazione di particelle perciò dette secondarie, i prompt gamma, le quali contengono informazioni circa la zona di interazione stessa. Per la ricostruzione di un’immagine biomedicale attraverso la rilevazione di radiazioni è necessario un sistema che converta il fenomeno di interesse (i raggi gamma) in un fenomeno elettrico, tipicamente una grandezza elettrica che varia nel tempo. Precisamente, il modulo di rilevazione gamma, messo appunto nell'ambito del progetto GammaRad, converte i raggi gamma in impulsi di corrente, attraverso l’accoppiamento di un cristallo scintillatore (un materiale che emette fotoni di luce quando esposto a radiazioni) con un rilevatore di luce (un dispositivo che eroga una corrente elettrica quando colpito da fotoni di luce). L’ampiezza degli impulsi di corrente emessi dal rilevatore di luce contiene informazioni circa la radiazione incidente: quando l’energia delle radiazioni diventa particolarmente elevata (durante le sedute di protonterapia il livello di energia raggiunge i 10-15 MeV) questi impulsi si susseguono con frequenze molto elevate, sovrapponendosi l’uno sull’altro e falsando così la lettura dell’ampiezza, e, di conseguenza, la ricostruzione dell’informazione. Il fenomeno di sovrapposizione degli impulsi ad alti count-rate, denominato formalmente pile-up, è dovuto alle caratteristiche temporali del singolo impulso di corrente, precisamente al tempo di salita (ovvero il tempo che impiega il segnale a raggiungere il valore di picco) e, soprattutto al tempo di decadimento (il tempo impiegato dal segnale a ritornare a 0 dopo il valore di picco). Questi parametri dipendono dalle caratteristiche del cristallo scintillatore, del rilevatore di luce e dall’elettronica di lettura. Scopo di questo lavoro di tesi è stato quindi l’implementazione di una soluzione che permettesse di utilizzare il modulo di rilevazione GammaRad anche ad alte energie, risolvendo il problema del pile-up degli impulsi. A tale scopo, è stata realizzata un’opportuna elettronica di lettura che, a partire dalla corrente erogata dal sensore, permette di ottenere un segnale in tensione, senza introdurre ritardi o aumentare i tempi di salita e decadimento del segnale in ingresso. Al fine di ricostruire la corretta ampiezza degli impulsi, eventualmente falsata dal pile-up, sono state ricercate in letteratura tecniche di elaborazione digitale; è stato quindi implementato un software, basato su un algoritmo di risoluzione digitale di segnali affetti da pile-up, che elabori il segnale in uscita dall’elettronica di lettura, ricostruendo le reali ampiezze degli impulsi. Questo approccio, che include l’utilizzo di un’elettronica di lettura veloce e di una successiva elaborazione digitale dell’acquisizione, può essere efficacemente utilizzato con il modulo di rilevazione del progetto GammaRad per monitorare il fascio protonico durante sedute di protonterapia.