Ionenradiographie mit adaptiver Energieauswahl für eine präzise Strahlentherapie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das klinische Potenzial der hochpräzisen Ionenstrahltherapie wird häufig durch Unsicherheiten bzgl. des Patientengewebes und seiner Geometrie beeinträchtigt. Um diese Unwägbarkeiten zu minimieren, haben wir eine Methode entwickelt, die eine quantitative Bildgebung auf der Grundlage der Ionenradiographie ermöglicht und direkt vor der Bestrahlung angewendet werden kann. Während die meisten ionenradiografischen Verfahren Protonen verwenden, basiert unsere Methode auf den weitgehend ungenutzten Heliumionen, die Bilder mit einer höheren Ortsauflösung liefern können. Wir nutzen eine am CERN entwickelte, hochmoderne Detektortechnologie namens Timepix. Sie ermöglicht den Nachweis einzelner Ionen und die Messung einiger ihrer Eigenschaften. Gleichzeitig ist das Gerät kompakt, da es sehr dünne Detektoren (~1 mm) verwendet. Die Kompaktheit stellt jedoch eine Herausforderung dar, wenn es darum geht, den gesamten Bereich der radiologischen Dicken des Objekts mit hoher Genauigkeit zu messen. Um Körperteile mit radiologischen Dicken von 3 cm bis zu 30 cm abzubilden, wurde ein einzigartiges Ionenbildgebungsverfahren mit adaptiver Energieauswahl entwickelt. Wir haben den Weg für die Bildgebung von Objekten bis zu ~1 m geebnet, was selbst für die breitesten zu behandelnden Körperteile reicht. Zu diesem Zweck wurde der Ionenbeschleuniger so modifiziert, dass er Helium-Ionenstrahlen mit Energien von bis zu 430 MeV/u liefern kann, die weit über dem bisherigen Limit liegen. Außerdem wurde ein hochempfindlicher Strahlmonitor entwickelt, um die Position, Form und Intensität des Heliumionenstrahls mit geringer Intensität messen zu können. Große Mengen an Messdaten für präzise Ionenbilder der radiologischen Dicke des abgebildeten Objekts wurden mit Hilfe eines neu entwickelten, umfassenden Pakets spezieller Datenverarbeitungssoftware und Bildrekonstruktionsalgorithmen ausgewertet. Die Leistungsfähigkeit der gesamten Methode wurde an geometrisch einfachen und anthropomorphen Modellen unter den klinischen Bedingungen des Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrums getestet. Nach bestem Wissen gehören die gemessenen Genauigkeiten und Ortsauflösungen der quantitativen Ionenstrahlradiografien zu den derzeit besten Ergebnissen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
-
A technique for spatial resolution improvement in helium‐beam radiography. Medical Physics, 47(5), 2212-2221.
Amato, C.; Martisikova, M. & Gehrke, T.
-
A method for improving the spatial resolution of helium-beam radiography and its consequences for calibrations regarding water-equivalent thickness. 59th PTCOG meeting, Online (2021)
M. Metzner & al.
-
Achievable image quality of helium-beam radiography (αRad) of high-WET objects with a system based on thin silicon pixel detectors. 7th Annual Loma Linda Workshop on Particle Imaging and Radiation Treatment Planning, Online (2021)
T. Gehrke & al.
-
Towards quantitative helium-beam radiography (αRad) using thin silicon pixel detectors and energy painting. 59th PTCOG meeting, Online (2021)
T. Gehrke & al.
-
Development of a scintillation fiber transverse profile monitor for low-intensity ion beams at HIT. 11th Int. Beam Instrum. Conf., Krakow, Poland (2022)
R. Hermann & al.
-
Experimental helium‐beam radiography with a high‐energy beam: Water‐equivalent thickness calibration and first image‐quality results. Medical Physics, 49(8), 5347-5362.
Knobloch, C.; Metzner, M.; Kehrein, F.; Schömers, C.; Scheloske, S.; Brons, S.; Hermann, R.; Peters, A.; Jäkel, O.; Martišíková, M. & Gehrke, T.
-
Helium-beam radiograph of an anthropomorphic head phantom using thin silicon pixel detectors and the assessment of its accuracy. 60th PTCOG meeting, Miami, USA (2022)
M. Metzner & al.
-
Helium-beam radiography (αRAD): Imaging of an anthropomorphic pelvis phantom using energy painting. 4th European Conference in Medical Physics, Dublin, Ireland (2022)
Y. Xu, C. Knobloch & al.
-
2.5D Imaging: obtaining additional depth information from helium-beam radiographs for applications in ion beam radiotherapy using silicon pixel detectors. 24th International Workshop on Radiation Imaging Detectors, Oslo, Norway (2023)
A. Schlechter & al.
-
Advancements in the scintillation fiber beam monitoring for low-intensity ion beams at HIT. 14th International Particle Accelerator Conference, Venice, Italy (2023)
R. Hermann & al.
-
Energy painting with several initial beam energies and thin silicon pixel detectors for imaging of objects with wide WET ranges. 4th ion imaging workshop, London (2023)
M. Metzner & al.
-
Investigation of patient positioning feasibility based on a helium-beam radiograph (αRAD) acquired with thin silicon pixel detectors. 61st PTCOG meeting, Madrid, Spain (2023)
Y. Xu, M. Metzner & al.
-
Patient positioning based on a helium-beam radiograph (αRad). 24th International Workshop on Radiation Imaging Detectors, Oslo, Norway (2023)
Y. Xu, D & al.
-
Quantitative helium-beam radiograph of a head and neck model and comparison to X-ray CT projections. 24th International Workshop on Radiation Imaging Detectors, Oslo, Norway (2023)
M. Metzner & al.
-
Energy painting: helium-beam radiography with thin detectors and multiple beam energies. Physics in Medicine & Biology, 69(5), 055002.
Metzner, Margareta; Zhevachevska, Daria; Schlechter, Annika; Kehrein, Florian; Schlecker, Julian; Murillo, Carlos; Brons, Stephan; Jäkel, Oliver; Martišíková, Mária & Gehrke, Tim
