Development of a prompt gamma imaging detector for range verification in Hadrontherapy

Hadrontherapy is a growing technique that has been used to treat cancer patients around the world. Compared to conventional radiation sources (photons, electrons), proton beams feature major dosimetric advantages due to their finite penetration range, with a localized dose deposition maximum, the Bragg peak, which can be selectively adjusted in depth. This modality allows highly specialized treatments in the tumor area, not the surrounding healthy tissue. However, this technique has a limit: it is highly sensitive to any source of deviation from the treatment plan or to uncertainties within the plan itself. The precise detection of the Bragg peak would therefore allow the deposit of high doses of energy with great effectiveness only in the tissues involved in the treatment. In this regard in recent years, several research groups have been investigating techniques for controlling the range of the proton beam in real-time. Among these verification techniques, the prompt emission of high-energy photons, or prompt gamma-rays (PG), can potentially be used. This master’s thesis starts with the experimental validation of FLUKA Monte Carlo simulations, as previously conducted by Missaglia et al. aimed at exploring the feasibility of employing Prompt Gamma Imaging with a knife-slit camera for Carbon-ion Radiation Therapy. In this phase, an existing laboratory-developed system, featuring the GAMMA ASIC, tailored for SiPM readout coupled to monolithic scintillation crystals (LYSO), was used. Subsequently, the primary focus shifts to the development of a 32-channel detector based on the SITH ASIC. This phase encompasses various stages, from the design and testing of the boards to the creation of a Graphical User Interface (GUI) for SITH and other components.

L’adroterapia è una tecnica in crescita che è stata utilizzata per trattare i pazienti affetti da cancro in tutto il mondo. Rispetto alle fonti di radiazioni convenzionali (fotoni, elettroni), i fasci di protoni presentano notevoli vantaggi dosimetrici grazie alla loro gamma di penetrazione finita, con un massimo di deposizione di dose localizzato, il picco di Bragg, che può essere regolato selettivamente in profondità. Questa modalità consente trattamenti altamente specializzati nell'area tumorale, non nei tessuti sani circostanti. Tuttavia, questa tecnica ha un limite: è altamente sensibile a qualsiasi deviazione dal piano di trattamento o ad incertezze all'interno del piano stesso. La precisa rilevazione del picco di Bragg consentirebbe quindi di depositare alte dosi di energia con grande efficacia solo nei tessuti coinvolti nel trattamento. A questo proposito, negli ultimi anni, diversi gruppi di ricerca hanno investigato tecniche per controllare in tempo reale la portata del fascio di protoni. Tra queste tecniche di verifica, l'emissione rapida di fotoni ad alta energia, o raggi gamma rapidi (PG), può essere potenzialmente utilizzata. Questa tesi di laurea inizia con la validazione sperimentale delle simulazioni FLUKA Monte Carlo, precedentemente condotte da Missaglia et al., mirata a esplorare la fattibilità dell'impiego dell'imaging a raggi gamma rapidi con una telecamera a fessura per terapia radiante con ioni di carbonio. In questa fase, è stato utilizzato un sistema sviluppato in laboratorio, dotato dell'ASIC GAMMA, progettato per la lettura dei SiPM accoppiati a cristalli di scintillazione monolitici (LYSO). Successivamente, il focus principale si sposta allo sviluppo di un rivelatore a 32 canali basato sull'ASIC SITH. Questa fase comprende diversi step, dalla progettazione e test delle schede alla creazione di un'interfaccia utente grafica (GUI) per SITH e altri componenti.