SiFi-CC für Echtzeit-Reichweiten-Verifizierung in der Protonentherapie

  Simulation der SiFi-CC mit gekreuzten Fasern Urheberrecht: Jonas Kasper Simulation der SiFi-CC mit gekreuzten Fasern

Die Therapie von Krebstumoren mit Protonen und anderen Ionen ist eine etablierte Methode basierend auf gut verstandenen Interaktionen von Ionen in Materie. Eine solche Behandlung wird für jeden Patienten individuell am Computer geplant und an Phantomen verifiziert, bevor der Patient bestrahlt wird. Im Gegensatz zu Phantomen verändert sich der menschliche Körper während und zwischen den Behandlungseinheiten, was zu einer veränderten Reichweite des Protonenstrahls im Patienten führt. Daher werden in den Behandlungsplänen relative große Sicherheitssäume von bis zu einem Zentimeter vorgesehen.

Die Entwicklung einer Echtzeit-Reichweiten-Verifizierung würde die notwendigen Sicherheitssäume reduzieren und zu einer gleichmäßigeren Dosisverteilung führen, was auf lange Sicht zu einer besseren und sichereren Behandlung führt.

Die vielversprechendsten Ansätze für eine solche Modalität basieren auf der Detektion von prompten Photonen. Diese entstehen in Kernreaktionen der Protonen im menschlichen Gewebe.

Daher entwickeln wir in einer Kollaboration mit der Jagiellonen Universität in Krakau eine auf SiPMs und szintillierenden Fasern basierte Compton Camera (english: SiPMs and scintillating fibers bases Compton Camera, SiFi-CC). Eine Compton Camera ermöglicht die Rekonstruktion einer drei-dimensionalen Dosisverteilung im Patienten.

Die SiFi-CC basiert auf schweren, szintillierenden Kristallen, die zu dünnen Fasern verarbeitet werden und anschließend zu zwei massiven Blöcken zusammengeklebt werden. Die beiden Blöcke bilden die Streu- und Absorberebene der Compton Camera. Wenn ein Photon zuerst eine Compton-Streuung in der Streuebene vollzieht und anschließend in der Absorberebene in einer zweiten Reaktion absorbiert wird, ist es möglich die ursprüngliche Richtung des Photons auf die Oberfläche eines Kegels zu beschränken. Durch die Überlagerung vieler solcher Kegel kann eine Energiedepositionsverteilung rekonstruiert werden.

In der Entwicklung der SiFi-CC nutzen wir viele Vorteile von neuen Entwicklungen in der Detektorphysik. Schwere, szintillierende Fasern ermöglichen sowohl eine hohe Detektionseffizienz als auch eine sehr gut Zeitauflösung. Diese ermöglicht eine gute Unterdrückung des Untergrunds. Weiterhin ermöglicht die hohe Detektorgranularität in Kombination mit schnellen Signalen eine hohe Ratenakzeptanz des Systems.

Momentan sind wir in der Optimierungsphase für die SiFi-CC Baupläne. Zu diesem Zweck simulieren wir verschiedene Detektoraufbauten in Geant4 und entwickeln auf der Grundlage der simulierten Daten ein Analyse- und Datenauswertungsframework. Weiterhin bauen wir einen ersten Prototype des Detektors.

 
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