Simulação de uma câmara multi-fatia de raios gama para determinação do alcance do feixe de protões em irradiação pélvica

Abstract

Proton therapy is a promising technique for cancer treatment due to its distinct ability to allow high conformity in dose deposition. However, such conformality is dependent of different variables such as tissue composition, density, and heterogeneities. These dependencies lead to uncertainties in particle range, turning proton therapy sub-optimal in clinical practice. LIP’s goal is to develop an in vivo monitoring system based on the orthogonal prompt gamma imaging technique. This technique makes use of orthogonal prompt gamma rays, produced in proton-nuclear reactions within the body. Previous simulations and phantom-based experimental results, using 130 MeV proton beams, have shown to hold promise in improving proton therapy. In this work was performed a simulation study to analyze the precision which is possible to reach with this detection system in determination of the position of the distal edge of the Bragg Peak, when using high energy proton beams (200 MeV, typically used in pelvic irradiations). An optimization study of the collimator's geometry was also performed. By using higher proton beam energies, a higher number of neutrons will be created. Such neutrons create secondary gamma-rays by interacting with the collimator and other structures in the treatment room, turning the detection of signals a difficult challenge. A simulation study using a PMMA phantom and considering no time and space beam uncertainties was implemented. PG generated in the phantom were collimated with a tungsten multi-slat collimator and detected using a combination of YAP scintillators, installed in the collimator apertures. Time of flight and energy discrimination showed to be crucial for the improvement of signal-to-background ratio, with TOF discrimination being the most predominant, allowing a 55\% reduction in the noise component. The optimization process of the collimator's geometry revealed the existence of an optimal region for a height of 200 mm, a septal thickness of 2.0-3.2 mm and an aperture of 5.4-5.8 mm, suggesting that the position of the distal edge of the Bragg peak can be determined with an accuracy of 1.53 mm FWHM. Future work will involve the conclusion of the optimization study, for the height of 220 mm, as well as the study of the application of a paraffin layer for neutron attenuation.

A terapia com protões é uma técnica promissora para o tratamento do cancro, devido à sua capacidade de permitir uma elevada conformidade na deposição de dose. No entanto, tal conformidade depende de diferentes variáveis, tais como: composição do tecido, densidade e heterogeneidades. Estas dependências levam a incertezas no alcance do feixe de partículas, tornando a terapia com protões sub-ótima na prática clínica. O objetivo do LIP é desenvolver um sistema de monitorização in vivo, baseado na técnica orthogonal prompt gamma imaging. Estatécnica faz uso de raios gama ortogonais espontâneos, produzidos através de reações entre os protões e os núcleos, dentro do corpo. Estudos de simulação, e resultados experimentais, baseados no uso de fantomas, para feixes de protões de 130 MeV, mostraram que esta é uma técnica promissora na melhoria da terapia com protões.Neste projeto, foi realizado um estudo de simulação para analisar a precisão com que é possível obter, com este sistema de deteção, a posição da borda distal do pico de Bragg, usando feixes de protões de elevadas energias (200 MeV, normalmente usados em irradiações pélvicas). Foi também realizada um estudo de otimização da geometria do colimador. O uso de feixes mais energéticos leva à criação de um maior número de neutrões. Estes neutrões criamraios gama secundários, ao interagirem com o colimador e outras estruturas na sala de tratamento, tornando a deteção de sinais um desafio difícil. Um estudo de simulação, usando um fantoma de PMMA, e considerando que não existe incerteza temporal e espacial do feixe, foi implementado. Os raios gama espontâneos, gerados no fantoma, foramcolimados, com um colimador multi-fatia de tungsténio, e detetados usando uma combinaçãode cintiladores YAP, instalados nas aberturas do colimador.Discriminação de tempo de voo e de energia mostraram ser cruciais na melhoria da relação sinal ruído, sendo que a discriminação TOF foi a que teve uma maior preponderância, permitindo uma redução de 55% da componente de ruído. O processo de otimização da geometria do colimador revelou a existência de uma região ótima para uma altura de 200 mm, espessura dos 2,0-3,2 mm e abertura dos 5,4-5,8 mm, sugerindo que a posição da borda distal do pico de Bragg pode ser determinada com uma precisão de 1,53 mm FWHM. Trabalhos futuros envolverão a conclusão do estudo de otimização, para a altura de 220 mm, bem como o estudo da aplicação de uma camada de parafina para atenuação de neutrões.