Caratterizzazione sperimentale di un modulo di rivelazione per imaging dei prompt gamma in protonterapia

The steepness of the dose gradient at the distal edge of the Bragg peak is also the critical feature of this technique, due to the uncertainties related to the proton beam range, that can have a huge impact on the effectiveness of the therapy. The importance of a monitoring method for the actual distribution of the deposited energy arises from these considerations. Among these, prompt gamma imaging is particularly promising since it allows a real-time range monitoring, without the necessity to deliver an additional dose. This method is based on the correlation existing between the proton beam range and the profile of gamma photons, emitted as a consequence of the interactions between protons and target nuclei (prompt gammas). Unfortunately gamma cameras for low-energy medical imaging, like SPECT or PET modules, are not suitable for PGI application, especially due to the extended dynamic range and high count-rate requirements. Considering this background, the project GammaRAD aims to develop a high performance gamma-ray detection module to be used in a slit camera for the reconstruction of the 1D profile of emitted prompt gammas. The module is characterized by a pixelated structure with 1:1 coupling between LYSO scintillator cristals and silicon photomultipliers (SiPM) characterized by a high cells density. Current signals of each pixel is processed by a multichannel integrated circuit. The peak voltage at the output of each channel is stored and digitized by the acquisition data system, and then sent to PC for post-processing. The focus of the experimental characterization here presented, is to validate some application requirements that make the system suitable for prompt gamma imaging. In particular spectroscopic performances, position sensitivity, dynamic range and linearity response have been tested.

Il lavoro di tesi presentato all'interno di questo elaborato si colloca nell'ambito del progetto GammaRAD, che coinvolge il Politecnico di Milano in collaborazione con FBK, ATREP e TIFPA. Lo scopo del progetto è lo sviluppo di una gamma camera, in grado di operare in strutture cliniche, al fine di monitorare il corretto irraggiamento del paziente durante la terapia adronica con fasci di protoni. L'andamento della dose recapitata al paziente in questo tipo di trattamento è caratterizzato da un picco ad una determinata profondità, che permette di irradiare la massa tumorale in modo più selettivo ed efficace rispetto alle tecniche di radioterapia tradizionali, minimizzando il danno ai tessuti sani circostanti. L’utilizzo di un metodo di controllo del range del fascio protonico è estremamente utile per verificare che il trattamento in atto sia corretto e funzionale, in quanto il range di penetrazione è soggetto ad un'incertezza intrinseca che può avere un enorme impatto sull’efficacia della terapia. Tra queste tecniche, l'imaging dei prompt gamma (PGI) risulta particolarmente promettente in quanto consente una verifica real-time del fascio senza la necessità di somministrare una dose aggiuntiva al paziente. La tecnica si basa sulla correlazione fra il profilo di rilascio della dose nel paziente e quello di emissione dei fotoni gamma emessi a seguito dell’interazione fra il fascio e i tessuti (prompt gamma). L'utilizzo di una gamma camera per applicazioni di imaging medicale, come quelle per SPECT e PET, risulta inadeguata , principalmente a causa dell'estensione del range dinamico e dell'elevato tasso di conteggi richiesti dal PGI. Con queste premesse, l'obiettivo del progetto GammaRAD è quello di sviluppare una camera con collimatore a singola fessura per la ricostruzione in tempo reale del profilo monodimensionale dei prompt gamma emessi. Il modulo è caratterizzato da una struttura pixellata, con accoppiamento 1:1 tra cristalli scintillatori di LYSO e fotomoltiplicatori in silicio (SiPM) ad elevata densità di microcelle. I segnali di corrente generati da ciascun pixel, vengono elaborati mediante un circuito integrato multicanale. La tensione di picco all'uscita di ciascun canale, viene poi digitalizzata dal sistema di acquisizione dati, e inviata a PC per una successiva elaborazione. L'obiettivo della caratterizzazione sperimentale descritta in questo elaborato è stato quello di validare alcune caratteristiche del sistema, necessarie affinché esso sia adeguato per l’imaging dei prompt gamma. In particolare sono state testate le prestazioni spettroscopiche, la risoluzione spaziale e le proprietà di linearità e range dinamico della matrice di rivelazione.