Low-dose ion-based transmission radiography and tomography for optimization of carbon ion-beam therapy

Magallanes Hernández, Lorena (2017): Low-dose ion-based transmission radiography and tomography for optimization of carbon ion-beam therapy. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

In the last few decades, ion-beam radiotherapy has emerged as a highly effective tumor treatment modality. Its success relies on the capability to precisely confine the prescribed dose within the target volume, due to the inverted depth-dose profile and the finite range featured by charged particles. However, to fully exploit the physical and biological advantages of ion-beams, it is necessary to prioritize on innovative imaging techniques to monitor the ion-range inside the patient. Main range uncertainties result from X-ray-based calibration of the ion relative Water Equivalent Path Length (rWEPL) during the planning phase, and patient anatomical or positioning variation during the treatment. In this thesis, low-dose carbon-ion transmissionimaging performed with a Residual Range Detector (RRD) is proposed as imaging strategy for actively scanned beam delivery facilities. It enables the verification of the beam range and the patient positioning with ion-radiographies (iRAD), and ion computed tomographies (iCT) can directly provide the ion stopping-power of the traversed tissue for treatment planning purposes. First experimental investigations aiming to minimize the imaging dose to the object are presented. The performance of the integration-mode multi-channel array of 61 parallel-plate ionization chambers (PPICs), interleaved with 3 mm thickness PMMA slabs, was thoroughly investigated for low-fluence irradiation. This characterization has been pursued in terms of beam-monitoring performance at the Heidelberg Ion-beam Therapy Center (HIT, Heidelberg, Germany), RRD signal-to-noise ratio (SNR), RRD charge-collection efficiency and drift voltage applied to the PPICs. Pixel-wise metrics for signal quality evaluation based on specific channel-charge features have been developed to support the visual assessment of the acquired images. Phantoms of different complexity and tissue-equivalent composition were imaged with high (5000 primaries per raster-scanning point (RP)), middle (1000 primaries per RP) and low imaging dose (500 primaries per RP) in the radiographic domain, whereas only high dose tomographic acquisitions were experimentally performed. Dedicated Monte Carlo (MC)-based post-processing methods, developed at the Ludwig-Maximilians-Universität München (Munich, Germany), were applied to improve the retrieval of Water Equivalent Thickness (WET) variations in lateral (spatial resolution) and longitudinal (ion range resolution) directions, for iRADs, and rWEPL in the tomographic case. An exhaustive quantitative and qualitative evaluation of the acquired images was made in comparison with the ground-truth and simulated data in terms of physical-dose to the object [Gy], accuracy [% of Relative Error (RE)] and overall image quality [NRMSD]. iRADs were produced with 0.5 to 1 mGy imaging dose and an absolute mean WET-RE within 1.5%. Tomographies of two heterogeneous phantoms were acquired in the high dose regime, yielding 4 Gy imaging dose and a RE in rWEPL below 1%, for a geometry that resembles an anatomical scenario. Nonetheless, the findings in the low dose projection studies indicate that the dose of tomographic acquisitions with the current experimental setup can be reduced down to 0.2 Gy. Furthermore, the improved readout system tests and MC simulations establish the possibility to decrease the dose received by the imaged object by about one order of magnitude down (∼0.03 Gy), which lies in the clinically accepted range. Finally, the ongoing imaging system upgrade and the potential integration with single-ion tracking detectors is outlined. The outcome of this thesis highlights the strengths and weaknesses of ion transmission-imaging with the investigated integration-mode RRD, paving the way to future improvements towards eventual application to the ion-beam therapy clinical work-flow. Although further optimization is still required for clinical application, ion-based transmission-imaging has demonstrated its potentiality to generate accurate low-dose iRADs and iCTs at the treatment site, bringing together the required features to optimize the quality of the ion-beam therapy.

Abstract

In den letzten Jahrzehnten hat sich die Ionenstrahl-Therapie als hoch effizientes Behandlungsverfahren gegen Krebs herausgestellt. Der Erfolg dieser Methode beruht auf der Möglichkeit die angeordnete Dosis präzise auf das Zielvolumen zu beschränken. Dies wiederum wird durch die inverse Tiefendosiskurve und die endliche Reichweite von geladenen Teilchenstrahlen ermöglicht. Jedoch benötigt die Ausschöpfung sämtlicher physikalischer und biologischer Vorteile der Nutzung von Ionen die Entwicklung innovativer Bildgebungsverfahren, um die Reichweite des Ionenstrahls im Patienten zu überwachen. Eine wesentliche Reichweitenunsicherheit resultiert aus der Kalibrierung der relativen wasseräquivalenten Pfadlänge (relative Water Equivalent Path Length, rWEPL), welche auf Röntgen Computertomographie Aufnahmen basiert. Weitere Unsicherheiten ergeben sich aus möglichen Veränderungen der Anatomie oder der Lagerung des Patienten im Verlauf der Behandlung. In dieser Arbeit wird die Kohlenstoffionen niedrig-Dosis Transmissions-Bildgebung mit einem Reichweiten-Detektor (Residual Range Detector, RRD) als bildgebendes Verfahren für Therapiezentren mit aktiver Strahlführung vorgeschlagen. Diese Art der Bildgebung ermöglicht die Verifikation der Reichweite des Ionenstrahls und der Patientenlagerung anhand von Ionenradiographie (ion-radiography, iRAD) Aufnahmen. Des Weiteren kann die Ionencomputertomographie (ion computed tomography, iCT) genutzt werden, um das Bremsvermögen der Ionen im durchquerten Gewebe direkt zu bestimmen und für die Bestrahlungsplanung zu nutzen. Im Rahmen dieser Arbeit werden erste experimentelle Untersuchungen zur Minimierung der im abzubildenden Objekt absorbierten Dosis vorgestellt. Das verwendete Detektor System besteht aus einem Array aus 61 Parallelplatten Ionisationskammern (parallel-plate ionization chambers, PPICs) zwischen welchen sich jeweils 3 mm dicke PMMA Platten befinden. Die Leistungsfähigkeit dieses im Integrations-Modus genutzten Vielkanal-Arrays wurde für Bestrahlungen mit niedriger Teilchenfluenz sorgfältig untersucht. Die Charakterisierung erfolgte hinsichtlich folgender Aspekte: Betriebsverhalten der Strahl-Kontrolle am Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum (HIT, Heidelberg, Deutschland), RRD Signal-Rausch-Verhältnis (signal-to-noise ratio, SNR), generelle Effizienz sowie der PPIC Driftspannung. Metriken zur Analyse der Signalqualität, welche auf dem Ladungsansprechverhalten der individuellen Kanäle beruht, wurden entwickelt. Diese unterstützen die visuelle Bewertung der Aufnahmen. iRADs von Phantomen unterschiedlicher Komplexität und gewebeähnlicher Zusammensetzung wurden für drei verschiedene Aufnahme-Dosen erstellt: Mittels hoher (5000 Primärionen pro Rasterpunkt (raster-scanning point, RP)), mittlerer (1000 Primärionen pro RP) und niedriger Dosis (500 Primärionen pro RP). Experimentelle Computertomographien wurden nur mit hoher Dosis aufgenommen. Spezielle Methoden zur Nachbearbeitung der Daten, welche auf Monte Carlo (MC) Simulationen beruhen, sind an der Ludwig-Maximilians-Universität München (München, Deutschland) entwickelt worden und wurden im Rahmen dieser Arbeit angewandt. Sie zielen darauf ab, die Bestimmung der wasseräquivalenten Dicke (Water Equivalent Thickness, WET) in lateraler (räumliches Auflösungsvermögen) und longitudinaler (Auflösungsvermögen der Ionenreichweite) Richtung für iRADs und iCTs zu verbessern. Umfangreiche quantitative und qualitative Auswertungen der Aufnahmen wurden vorgenommen und mit simulierten Daten sowie den analytisch berechneten Idealbildern verglichen. Ausgewertet wurde hierzu die physikalische Dosis [Gy], die Genauigkeit [% des relativen Fehlers (Relative Error, RE)] und die gesamte Bildqualität. iRADs, welche mit einer Dosis von 0.5 bis 1 mGy aufgenommen wurden, zeigten einen mittleren WET-RE von unter 1.5%. iCTs von zwei heterogenen Phantomen wurden in der Konfiguration mit hoher Dosis aufgenommen. Dies entspricht einer Dosis von 4 Gy für das gesamte iCT. Der entsprechende rWEPL-RE für diese geometrische Anordnung, welche ein anatomischen Szenario nachbildet, war unter 1%. Gleichwohl deuten die Ergebnisse aus der Untersuchung von Projektionen mit niedriger Dosis an, dass die Dosis für eine komplette Tomographie mit dem derzeitigen experimentellen Aufbau auf 0.2 Gy reduziert werden kann. Des Weiteren begründen Experimente mit einer verbesserten Auslese-Elektronik und Untersuchungen mit MC Simulationen die Annahme, dass die Dosis um rund eine Größenordnung auf einen klinisch akzeptablen Wert verringert werden kann (∼0.03 Gy). Zum Abschluss der Arbeit werden die derzeit durchgeführten Verbesserungen des Bildgebungssystems sowie die mögliche Kombination mit Detektoren zur Einzel-Ionen-Messung behandelt. Die erzielten Ergebnisse verdeutlichen die Stärken und Schwächen der Transmissions-Bildgebung mit dem untersuchten Integrations-Modus RRD. Sie ebnen den Weg für weitere Verbesserungen und die mögliche Anwendung im klinischen Arbeitsablauf in der Ionenstrahl-Therapie. Obwohl weitere Optimierungen benötigt werden um die klinische Anwendbarkeit zu ermöglichen, zeigt die Transmissions-Bildgebung mit Ionenstrahlen das Potenzial, direkt im Behandlungsraum akkurate iRADs und iCTs bei niedriger Dosis aufzunehmen. Dies wird es ermöglichen, die Qualität der Ionenstrahl-Therapie zu optimieren.

Abstract

Deutsche Übersetzung des Titels: Niedrig-Dosis Transmissions-Radiographie und -Tomographie mit Ionenstrahlen zur Optimierung der Strahlentherapie mit Kohlenstoffionen

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: ion-beam therapy; low-dose ion-based transmission-imaging; integration-mode range detector; ion radiography; ion tomography
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 21. Februar 2017
• 1. Bericht­erstatter:in: Parodi, Katia