Monte Carlo investigations for a novel small-animal proton radiographic setup based on a pixelated Silicon detector and energy stacking

Abstract

Cancer is one of the biggest public health issues, being the second leading cause of death worldwide. More than 100 different types of cancer have been reported until the present day, and there are several approaches to combat them. One of them, a type of radiation therapy, is proton therapy. Image-guidance is crucial for improving the precision of experiments such as small-animal proton irradiation. This project investigated the feasibility of a novel small-animal proton radiographic imaging setup based on a pixelated silicon detector and the concept of energy stacking. The method for position verification, and direct measurement of the two-dimensional Water Equivalent Thickness (WET) distribution of a small-animal sized object, consisted of scanning a 2 x 2 x 2 cubic centimeter water phantom, including four different material inserts (0.3 x 0.3 x 2 cubic centimeter each), with 61 proton energies ranging from 45 to 75 MeV. Different beam shapes were tested. Energy deposition was scored in a simplified model of a commercially available pixelated CMOS detector (1024 x 512 pixels with 48 μm pixel pitch, 2 μm sensitive thickness), placed at varying distances downstream of the phantom. For each detector pixel, the energy deposition versus initial proton beam energy was recorded and converted to WET values by a signal decomposition using a Monte Carlo-based lookup-table (LUT) matrix. For a set of Monte Carlo simulation parameters, including the use of a combination of two perpendicular rectangular proton beams, WET values were obtained with an accuracy of about 96.1%. Sub-millimeter spatial resolutions of (0.59 ± 0.02) mm and (0.67 ± 0.01) mm were obtained in both dimensions. With a total dose to the object of 69.7 mGy, the entire radiographic acquisition time for this approach was estimated to range from 14 to 33 minutes, depending on the used accelerator.

O cancro é um dos maiores problemas de saúde pública, sendo a segunda maior causa de morte no mundo. Mais de 100 tipos diferentes de cancro foram reportados até ao presente, existindo diversas abordagens para os combater. Uma delas, um tipo de radioterapia, é a terapia com protões. O conceito de image-guidance é crucial para melhorar a precisão de estudos como a irradiação protónica de pequenos animais. Este projeto investigou a viabilidade de uma nova configuração para imagiologia de radiografias protónicas de pequenos animais baseada num detetor de silício pixelizado e na noção de empilhamento de energias. O método para verificação de posição, e medição direta da distribuição bidimensional da Espessura Equivalente a Água (WET) de um objeto com o tamanho de um pequeno animal, consistiu no varrimento de um fantoma com 2 x 2 x 2 centímetros cúbicos de água, includindo quatro inserções de diferentes materiais (0,3 x 0,3 x 2 centímetros cúbicos cada), com 61 feixes de protões com energias entre 45 e 75 MeV. A deposição de energia foi registada num modelo simplificado de um detetor CMOS pixelizado comercialmente disponível (1024 x 512 pixels com 48 μm de lado e uma espessura sensível de 2 μm), colocado em diferentes distâncias a jusante do fantoma. Para cada pixel do detector, a deposição de energia versus a energia inicial do feixe de protões foi registada e convertida em valores de WET através de uma decomposição de sinal, usando uma matriz de consulta baseada em Monte Carlo (LUT). Para um conjunto de parâmetros de simulação de Monte Carlo, os valores de WET foram obtidos com uma precisão de cerca de 96,1%. Resoluções espaciais sub-milimétricas de (0,59 ± 0,02) mm e (0,67 ± 0,01) mm foram obtidas em ambas as dimensões. Com uma dose total para o objeto de 69,7 mGy, o tempo total de aquisição radiográfica para esta abordagem foi estimado em 14 a 33 minutos, dependendo do acelerador utilizado.