Prompt gamma cameras for real-time monitoring in hadrontherapy : an analytical model for the evaluation of a Compton camera efficiency

Hadron therapy is a growing technique that has been employed to treat cancer patients worldwide. The reason for its increasing importance is its beneficial dose deposition profile, which enables highly focalised treatments and better sparing of the surrounding healthy tissue. However, the high concentration of the delivered dose at the Bragg peak makes hadron therapy very sensitive to any source of deviation from the treatment planning or to uncertainties in the plan itself. As a consequence, additional safety margins of several millimeters are set in the treatment planning in order to ensure that the clinical volume target receives the prescribed dose and that organs at risk are not irradiated. The reduction of safety margins would allow a better delineation of the irradiated volume and a wider use of hadron therapy in tumors close to organs at risk. This can be achieved by monitoring online the particle range inside the patient. Among the online verification techniques, the prompt emission of high energy photons or prompt gamma-rays (PG), can potentially be used. The PG emission spectrum exhibits a decreasing continuum, extending up to several MeV, with the presence of prominent lines corresponding to discrete transitions between nuclear energy levels. In particular, an intense peak of emission is found at 4.44 MeV, originating from the de-excitation of 12C to its ground state. Several monitoring techniques based on the detection of PG are currently under investigation. Mechanical collimation has been proposed with different collimator geometries. Clinical tests with a collimated gamma camera have also been reported. However, a disadvantage of this modality is the collimator thickness required to fully absorb the high energy PG, which reduces drastically the detection efficiency. Another modality is Compton imaging which is based on electronic collimation. Compton imagers have emerged as a promising candidate due to their ability to image photons at the PG energy range and the fact that they do not require mechanical collimation and then they can reach potentially a higher efficiency. The optimization of the configuration of such a system requires to take into consideration several geometrical and physical parameters. Generally in this optimization Monte Carlo simulations play an essential role. Several Monte Carlo (MC) simulation toolkits are available to study the optimal detector configuration with good accuracy but generally low computational efficiency. In this thesis it was developed a simplified analytical model of the classical single scattering Compton camera, which can be used to perform multi-parameter optimization through stochastic simulations with the aim to provide a low-cost computing tool to estimate the impact of several parameters on the efficiency of the system and possibly narrow down the list of simulations to be performed with traditional MC simulators. An initial validation of the model was performed comparing the results with data provided by ANTS2 simulation toolkit. The impact of the principal geometrical and physical parameters on the total efficiency has been analyzed for an heterogeneous Compton camera featuring GAGG and LYSO scintillators as scatterer and absorber detectors, respectively. The choice of two layers of scintillators keeps the system configuration simple with respect to having more scatter layers or solid-state detectors. Moreover the materials were chosen to enhance the detection efficiency by maximizing single Compton scattering probability, energy, spatial and time resolution, light output for the scatterer and ensuring high absorption efficiency, good time and spatial resolution for the absorber. As spatial resolution performance is fundamental for the design of a Compton camera, in this thesis it was also implemented an analytical model that estimates spatial resolution basing on line-cone intersection method, by assuming to cascade linear systems, and that many contributions to statistical fluctuations of there constructed position are uncorrelated. Finally, these tools developed with ANTS2, are used for identifying the most suitable Compton camera configuration for hadrontherapy application, which is compared with the knife-edge mechanical collimation system.

L'adronterapia è una tecnica in crescita che è stata utilizzata per trattare i pazienti oncologici in tutto il mondo. La ragione della sua crescente importanza è il suo profilo di deposizione della dose benefica, che consente trattamenti altamente focalizzati e un risparmio maggiore del tessuto sano circostante. Tuttavia, l'alta concentrazione della dose erogata al picco di Bragg rende la terapia con adroni molto sensibile a qualsiasi fonte di deviazione dal piano di trattamento o alle incertezze all'interno del piano stesso. Di conseguenza, nella pianificazione del trattamento vengono fissati margini di sicurezza aggiuntivi di diversi millimetri al fine di garantire che il volume da trattare riceva la dose prescritta e che gli organi a rischio non siano irradiati. La riduzione dei margini di sicurezza consentirebbe una migliore delimitazione del volume irradiato e un più ampio uso della adronterapia per i tumori vicini agli organi a rischio. Questo può essere ottenuto monitorando online il range delle particelle cariche all'interno del paziente. Tra le tecniche di verifica online, è possibile potenzialmente utilizzare l'emissione di raggi gamma prompt (PG). Lo spettro di emissione PG mostra un continuo decrescente, che si estende fino a diversi MeV, con la presenza di linee prominenti corrispondenti a transizioni discrete tra i livelli di energia nucleare. In particolare, un intenso picco di emissione si riscontra a 4.44 MeV, originato dalla de-eccitazione di 12C allo stato fondamentale. Sono attualmente allo studio diverse tecniche di monitoraggio basate sull'individuazione dei PG. La collimazione meccanica è stata proposta con diverse geometrie. Sono stati riportati anche test clinici con una gamma camera collimata. Tuttavia, uno svantaggio di questa modalità è lo spessore del collimatore necessario per assorbire completamente i PG ad alta energia PG, che riduce drasticamente l'efficienza di rilevamento. Un'altra modalità di imaging attualmente investigata per il monitoraggio del trattamento si basa sulla collimazione elettronica. I sistemi Compton camera sono emersi come candidati promettenti per via della loro capacità di raffigurare fotoni gamma ad energia PG e del fatto che non richiedono la collimazione meccanica. I rivelatori Compton camera sono sistemi di imaging a raggi gamma che sono stati proposti per un'ampia varietà di applicazioni come l'astrofisica, la medicina nucleare, le indagini sulla sicurezza nucleare e, più recentemente, per il monitoraggio del campo delle particelle nell'adroterapia. Nella progettazione e l'ottimizzazione di tale sistema le simulazioni Monte Carlo svolgono un ruolo essenziale. Diversi tool-kit di simulazione Monte Carlo (MC) sono disponibili per studiare la configurazione ottimale del rivelatore con una buona precisione ma generalmente una bassa efficienza computazionale. In questo lavoro di tesi, viene proposto un modello analitico semplificato della classica Compton camera a due piani, che può essere utilizzata per eseguire l'ottimizzazione multi-parametrica attraverso simulazioni di natura stocastica. L'obiettivo è quello di fornire uno strumento di calcolo intuitivo e a basso costo computazionale per stimare l'impatto di diversi parametri sull'efficienza del sistema ed eventualmente restringere il numero di simulazioni da eseguire con i simulatori MC tradizionali. È stata eseguita una iniziale convalida del modello confrontando i risultati con i dati forniti dal tool-kit di simulazione ANTS2. I risultati ottenuti sono coerenti, ad eccezione dell'efficienza di interazione del piano di assorbimento il cui modello deve essere ulteriormente approfondito. L'impatto dei principali parametri geometrici e fisici sull'efficienza totale è stato analizzato per una Compton camera composta dai scintillatori GAGG e LYSO come rivelatori per il piano di scattering e di assorbimento rispettivamente. Poiché anche la risoluzione spaziale è fondamentale per la progettazione di una Compton camera, abbiamo anche implementato un modello analitico per il nostro campo di applicazione (terapia con fascio di ioni) che stima la risoluzione spaziale basandosi sul metodo di intersezione linea-cono, assumendo sistemi lineari a cascata, e scorrelazione tra i contributi delle fluttuazioni statistiche per la posizione costruita.