Development of a prompt gamma camera for beam range control in proton therapy : preliminary tests and design of the first prototype

This master's thesis targets to develop a gamma camera that would aim at real time proton range monitoring with millimeter resolution in proton therapy. The strength of this is the possibility to release the maximum dosage in the target volume without damaging the healthy tissues. Xglab, a spin-off of Politecnico di Milano in association with IBA (Ion Beam Application) that develops medical devices and software solutions for cancer treatment by proton beam therapy, for cancer diagnosis and for patient quality assurance (Dosimetry) and Politecnico di Milano are working on the design of a first prototype. During a proton irradiation, nuclear interaction within the tissues generates secondary particles, including prompt gamma with energies up to 10 MeV. Simulations made by different research groups found out a maximum correlation of these prompt gammas (especially the ones between 2 MeV and 7 MeV) with the Bragg Peak that corresponds to the maximum dose. Prompt gammas are selected with a slit collimator and detected with a scintillator to obtain a reversed 1D image of the proton beam path in the target. Preliminary tests were conducted on the HiCAM, a gamma camera that was previously developed in the framework of the European project HiCAM, in order to validate the concept of Slit Camera. As a consequence of the elaboration of the measurements obtained, we achieved results confirming the feasibility of real time range monitoring with millimeter accuracy in the pencil beam scanning up to 230 MeV beam energy. However, this system was not basically developed for this reason. As it was operated at beam currents a hundred times lower that the clinical one, in order not to saturate the electronics, new gamma camera design to reach the clinical operating rates of gamma events is more demanding. Following this, we preceded with the study on the design alternatives for the development of the prompt gamma camera. This study was based on specific rate of prompt gamma events range and sensitivity in clinical conditions of use. In order to meet these requirements, many alternatives were taken into consideration and they were studied to understand the through-put of each. At the end of this, a new prototype of gamma camera that embraces a pixelated scintillator coupled to the silicon photomultiplier for the visible light detector was designed. This thesis mainly focuses on data elaboration of the measurements obtained with HiCAM, the study that led to the final design and the development of the readout electronics. The ongoing process would include the experimentation of the prototype designed in order to evaluate its performance.

Il progetto oggetto di questo lavoro di tesi è lo sviluppo di una gamma camera per il monitoraggio in tempo reale del range del fascio di protoni in adroterapia, con risoluzione millimetrica. La forza di questo particolare tipo di radioterapia, risiede nella possibilità di rilasciare il massimo della dose in prossimità del tumore, senza danneggiare i tessuti sani circostanti. XGlab, spin-off del Politecnico di Milano, in collaborazione con IBA, azienda che si occupa dello sviluppo di soluzioni dedicate all’adroterapia e il Politecnico di Milano atanno lavorando allo sviluppo di un primo prototipo. Durante l’irradiazione con un fascio di protoni, le interazioni del fascio con i tessuti generano emissioni secondarie, tra cui raggi gamma con energia fino a 10 MeV. Simulazioni effettuate da diversi gruppi di ricerca hanno confermato una correlazione di tali gamma secondari (in particolare quelli con energie comprese tra 2 MeV e 7 MeV con il picco di Bragg, picco in cui si ha il massimo rilascio della dose. Per ottenere una proiezione unidimensionale del percorso del fascio nel bersaglio i gamma sono selezionati mediante un collimatore a fenditura e rivelati con un cristallo scintillatore. Per confermare sperimentalmente questo concetto, sono stati effettuati test preliminari utilizzando HiCam, una gamma camera sviluppata nel contesto del progetto europeo HiCam. I risultati ottenuti da questi test, hanno dimostrato la fattibilità di un monitoraggio della posizione del fascio con un’accuratezza millimetrica, per energie del fascio fino a 230 MeV. Tuttavia HiCam, sviluppata per altri scopi, ha consentito di lavorare con correnti del fascio 100 volte inferiori a quelle richieste per un utilizzo clinico, per non oltrepassare il massimo rate di eventi rivelabili dalla gamma camera. Per questo motivo è nata l’esigenza di sviluppare un nuovo prototipo adeguato ai rate di interesse. Durante una iniziale fase di studio sono state prese in considerazione diverse alternative per quanto riguarda la geometria del cristallo scintillatore, la scelta del fotorivelatore per la lettura della luce di scintillazione e l’elettronica di lettura. Lo studio, basato sulle specifiche di rate e sensitività richieste dall’applicazione, ha condotto al disegno di una gamma camera costituita da uno scintillatore segmentato accoppiato a SiPMs (Silicon PhotoMultipliers). La tesi si concentra sull’elaborazione delle misure effettuate con HiCam, sullo studio preliminare per arrivare al progetto del nuovo prototipo e sullo sviluppo dell’elettronica di lettura dedicata. L’intera gamma camera è attualmente in via di sviluppo: il suo completamento e nuovi test saranno effettuati il prossimo anno.