Development of a digital readout system for hadrontherapy applications

This master's thesis project aims to develop a data acquisition system of a gamma camera for real-time detection of the Bragg peak of a beam of carbon ions or protons in hadrontherapy applications. Detecting this peak with an accuracy of a few millimeters would allow great precision in the deposition of high doses of ions in patients, guaranteeing great improvements in the field of hadron therapy. In particular, being able to accurately measure the arrival time of the gamma prompt rays (PG) emitted by the interaction of the ions with the patient's body would allow to effectively discriminate the signal from the noisy background, to which many causes contribute (eg the neutrons produced interactions between the beam and the patient). Being slower than gamma rays, the neutrons are subsequently absorbed by the mel detector, so a temporal measurement would allow them to be completely rejected. of a collimator to filter the useful signal, increasing the sensitivity of the detector. To measure the time of flight of the gamma rays it was therefore decided to implement a time-to-digital converter (TDC) in FPGA capable of measuring the arrival time of the gamma rays with a precision of a few tens of picoseconds and converting it into binary code. in order to subsequently be processed by a computer. In parallel, also the acquisition of the photon energy and its digitization must be carried out in order to guarantee an adequate energy resolution to isolate the characteristic spectral lines of the gamma prompts. A readout strategy was developed and FPGA firmware developed specifically for the project. Two boards have been created to carry out tests on the correct functionality of the TDC. A simple command line program for the control and data acquisition by a PC was developed and the obtained results were processed in MATLAB to verify the correctness of the results.

Questo progetto di tesi magistrale si prefigge di sviluppare un sistema di acquisizione dati di una gamma camera per il rivelamento in tempo reale del picco di Bragg di un fascio di ioni carbonio o protoni in applicazioni di adroterapia. Rivelare con precisione di pochi millimetri questo picco permetterebbe una grande precisione nella deposizione di elevate dosi di ioni nei pazienti, garantendo grandi miglioramenti nell'ambito dell'adronterapia. In particolare, riuscire a misurare con precisione il tempo di arrivo dei raggi prompt gamma (PG) emessi dall'interazione degli ioni con il corpo del paziente permetterebbe di discriminare efficacemente il segnale dal rumoroso background, a cui concorrono molte cause (p.e i neutroni prodotti dalle interazioni tra il fascio e il paziente). Essendo più lenti dei raggi gamma, i neutroni vengono assorbiti successivamente mel detector, per cui una misurazione temporale permetterebbe di rigettarli completamente.Inoltre, la misura del tempo di arrivo dei PG è indispensabile per l'implementazione in futuro di camere Compton, che non necessitano di un collimatore per filtrare il segnale utile, aumentando la sensibilità del detector. Per misurare il tempo di volo dei raggi gammma si è quindi deciso di implementare un time-to-digital converter (TDC) in FPGA in grado di misurare con precisione di poche decine di picosecondi il tempo di arrivo dei gamma e di convertirlo in codice binario per poter successivamente essere processato da un computer. In parallelo anche l'acquisizione dell'energia del fotone e la sua digitalizzazione deve essere effettuata in modo da garantire una adeguata risoluzione energetica per isolare le linee spettrali caratteristiche dei prompt gamma. Una strategia di readout è stata elaborata e un firmware per l'FPGA sviluppato appositamente per il progetto. Sono state realizzate due schede per eseguire i test sulla corretta funzionalità del TDC. Un semplice programma a linea di comando per il controllo e l'acquisizione dei dati da parte di un PC è stato sviluppato e i risultati ottenuti sono stati elaborati in MATLAB per verificare la correttezza dei risultati.