Optimization study of the performance of a LaBr3 monolithic scintillator in a Compton camera system

Abstract

A modalidade de terapia com hadrões, baseada em partículas aceleradas, é capaz de libertar dose com alta precisão a um volume de tumor específico sem comprometer, em princípio, o tecido saudável circundante. A principal vantagem desta modalidade terapêutica é o seu preciso alcance (pico de Bragg), no entanto incertezas na determinação deste alcance podem levar à possível irradiação de tecido saudável ou subdosagem do volume de tratamento do tumor durante a libertação do feixe. De forma a evitar os riscos associados com estas incertezas, margens de segurança necessitam de ser aplicadas durante o tratamento. Com o objetivo de diminuir estas margens, diferentes abordagens para verificação do feixe in-vivo têm sido propostas. Uma delas, a câmara de Compton, explora a cinemática de dispersão de Compton dos raios gama prompt incidentes através de interações nucleares entre o feixe de partículas incidente e o tecido orgânico.A câmara de Compton da Ludwig-Maximilians-Universität Munich (LMU), sob estudo nesta tese, é composta por um detetor de dispersão (que consiste em seis camadas de detetores double-sided silicon strip (DSSSD)) e um detetor de absorção (um cristal monolítico de cintilação de LaBr3:Ce3+ acoplado a um tubo fotomultiplicador (PMT) multiânodo e sensível à posição). Devido ao design empilhado do detetor de dispersão, a câmara de Compton da LMU permite, não apenas localizar a energia do fotão incidente, mas também o eletrão de Compton disperso. A energia e posição de interação do fotão incidente permitem o cálculo do ângulo de dispersão de Compton, que representa a abertura do cone de Compton, cuja superfície indica a possível origem dos raios gama incidentes. Ao permitir a localização do eletrão, é possível melhorar a eficiência de reconstrução da câmara e reduzir a posição da fonte a um segmento de arco.O principal objetivo desta tese foi otimizar a performance do detetor de absorção da câmara de Compton da LMU por redução do seu sistema de leitura de um PMT com 256 segmentos para um PMT com apenas 64 segmentos. Em particular, o detetor de absorção da câmara de Compton foi caracterizado, onde a sua resolução energética, reconstrução da posição de interação dos fotões incidentes no cristal e a sua resolução espacial foram o principal foco deste trabalho.A melhor resolução energética para o sistema sob estudo foi alcançada operando o detetor a voltagens entre -900 e -950 V, onde um valor de 4.3(1)% a 662 keV foi obtido.A determinação da posição de interação dos fotões na superfície do cristal de cintilação LaBr3:Ce3+ foi realizada usando o algoritmo k-Nearest-Neighbor (k-NN) e a sua versão melhorada o algoritmo Categorical Average Patterns (CAP), ambos desenvolvidos pela TU Delft para aplicações em PET. Estes algoritmos comparam a distribuição da amplitude de luz 2D do fotão disperso absorvido pelo cintilador com uma biblioteca de referência de distribuições de amplitude de luz 2D, adquirida irradiando perpendicularmente a superfície do cintilador com uma fonte de fotões colimada. As bibliotecas de referência necessárias foram geradas utilizando duas fontes colimadas, 137Cs e 60Co. Uma quantificação fidedigna da resolução espacial do detetor depende da qualidade da biblioteca de referência adquirida.Uma resolução espacial ótima de 2.9(1) mm (FWHM) foi alcançada experimentalmente, utilizando o PMT com 64 segmentos, a 1.17 MeV e 1.33 MeV utilizando o algoritmo CAP. O valor obtido é comparável com o obtido previamente com um PMT com 256 segmentos, onde uma granularidade de 64 canais foi criada artificialmente por somatório através de Software. Para além disso, uma correlação entre a energia dos raios gama e a resolução espacial foi observada, de tal modo que quanto mais alta a energia dos raios gama incidentes melhor será a reconstrução da posição de interação. Esta tese de Mestrado provou que reduzindo experimentalmente a granularidade do PMT do detetor de absorção da LMU câmara de Compton, de 256 para 64, a performance do sistema é melhorada e a sua complexidade é reduzida. Pela primeira vez, o objetivo de design previsto de 3 mm para a resolução espacial do detetor de absorção da câmara de Compton da LMU foi ultrapassado experimentalmente para uma energia de 1.3 MeV. Devido à melhoria observada para a resolução espacial com o aumento da energia dos fotões, é esperado que a resolução espacial se mantenha dentro do valor desejado de 3 mm, ou até melhore, para energias de fotões superiores (4 - 6 MeV) relevantes em terapia de hadrões.

The hadron therapy modality, based on accelerated particles, is capable of high-precision dose delivery to a specific tumour volume without, in principle, compromising the surrounding healthy tissue. The main advantage of this therapy modality is its well-defined range (Bragg peak), but uncertainties in the determination of this range can lead to possible irradiation of healthy tissue or under-dosing of the tumour treatment volume during the beam delivery. In order to avoid the risks associated with these uncertainties, safety margins need to be applied during treatment. With the goal of decreasing these margins, different approaches for in-vivo beam range verification have been proposed. One of these, the Compton camera, exploits the Compton scattering kinematics of the incident prompt gamma rays created through nuclear interactions between the incident beam particles and the organic tissue.The Ludwig-Maximilians-Universität Munich Compton camera, under study in this thesis, is composed of a scatter detector (consisting of six layers of double-sided-silicon strip detectors (DSSSD)) and an absorber detector (a monolithic LaBr3:Ce3+ scintillation crystal coupled to a multi-anode position-sensitive photomultiplier tube (PMT)). Due to the stacked design of the scatter detector, the LMU Compton camera allows not only for the tracking of the incident photon origin, but also of the Compton scattered electron. The energy and interaction position of the incident photon enables the calculation of the Compton scattering angle, which represents the opening angle of the so-called Compton cone, whose surface indicates the possible origin of the incident gamma rays. By enabling the electron tracking, the camera's reconstruction efficiency is enhanced and the possible photon source position is reduced to an arc segment. The main objective of this thesis was to optimize the performance of the LMU Compton camera absorber detector by reducing its readout system from a 256-fold segmented multi-anode position sensitive PMT to a 64-fold PMT granularity. In particular, the Compton camera absorber was characterized, where its energy resolution, the reconstruction of the interaction position of the incident photons in the crystal, and the component's spatial resolution were the main focus of this work. The best energy resolution for the system under study was achieved by operating the detector at bias voltages ranging from -900 to -950 V, where a value of 4.3(1)% at 662 keV was determined.The determination of the photon interaction position on the LaBr3:Ce3 scintillator crystal's surface was performed using the k-Nearest-Neighbor (k-NN) algorithm and its improved version the Categorical Average Patterns (CAP) algorithm, both developed at TU Delft for PET applications. These algorithms compare the 2D light amplitude distribution of the scattered photon absorbed by the scintillator with a reference library of 2D light amplitude distributions, acquired by perpendicularly irradiating the scintillator's surface with a collimated photon source. The required reference libraries were generated using two different collimated sources, 137Cs and 60Co. A reliable quantification of the detector's spatial resolution depends on the quality of the acquired reference library.An optimum spatial resolution of 2.9(1) mm (FWHM) was experimentally achieved, using a 64-fold segmented PMT, at 1.17 MeV and 1.33 MeV using the CAP algorithm. The obtained value is comparable to the one previously achieved with a 256-fold segmented PMT, where a PMT granularity of 64 channels was artificially created by software summation. Moreover, a correlation between the gamma ray energy and spatial resolution was observed, such that the higher the energy of the impinging gamma ray the better the interaction position reconstruction will be. This Master thesis has therefore proven that by experimentally reducing the number of PMT readout channels of the LMU Compton camera absorber detector, from 256 to 64, the system's performance is improved and its complexity is reduced. For the first time, the envisaged design goal of 3 mm spatial resolution for the absorber detector of the LMU Compton camera was surpassed experimentally for a 1.3 MeV photon energy. Due to the observable improvement of the spatial resolution with the increase of the photon energy, it is expected that the spatial resolution will stay within the desired value of 3 mm, or even improve, for higher photon energies (4 - 6 MeV) relevant in hadron therapy.