Clinical prototype of a proton CT based on a tracking calorimeter

De siste tiårene har det vært en global økning i antall kreftpasienter som behandles med proton- og karbonstrålebehandling. Norge bygger to regionale partikkelterapifasiliteter, med sikte på klinisk oppstart i løpet av de neste tre årene. Partikkelterapi utføres i dag med forhåndsberegnede doseplaner for hver enkelt pasient. Doseplanene er basert på røntgencomputertomografi (CT). CT-bildene reflekterer pasientens anatomi på en utmerket måte, men de gir et begrenset grunnlag for beregning av den energiavsetningen av ioner i pasientens kropp. Her ligger nytten av den foreslåtte proton- CTen: dens data vil betydelig forbedre doseplanleggingen, posisjonverifikasjon og verifisering av dosedeponeringen. Prosjektet vil tillate å utforske det fulle potensialet av proton- og karbonterapi og introdusere konseptet med protonradiografi og pCT inn i det kliniske domenet. Den foreslåtte nye kliniske pCT-prototypen integrerer en sporforfølger og et kalorimeter inn i én kompakt enhet. Nøkkelkomponentene, Monolithic Active Pixel Sensors (MAPS), har blitt grundig karakterisert med stråler av proton- og heliumkjerner. Den mekaniske strukturen og kjølesystemet blir satt sammen. Utleseelektronikken har blitt utviklet og prototyper har blitt testet. Alle sensorene har blitt produsert og testet, og monteringen av skanneren er i gang. En full rekonstruksjonskjede, fra detektorrespons til 3D-tomografi, er etablert og er testet med simulerte data.

In the recent decades there has been a worldwide increase in the number of cancer patients treated with proton and carbon radiation therapy. Norway is presently planning 3-4 regional particle therapy facilities, with the aim of clinical startup within the next 5-6 years. Particle therapy as of today is performed with the delivery of pre-calculated dose plans for each patient. The applied dose plans are based on x-ray computed tomography (CT) images. CT images reflect the patient's anatomy in an excellent manner; however, they yield a limited basis for the calculation of the energy deposition of ions in the patient's body. For dose planning, position verification and dose deposition verification purposes it is important to develop imaging based on proton CT data. The project will allow to explore the full potential of ion therapy and bring the concept of proton radiography and pCT into the medical domain. We propose to develop a novel clinical pCT-prototype combining a tracker and a calorimeter in a single compact device. The pCT prototype will be a three-dimensional tracker consisting almost solely of many silicon sensor layers, enhanced with some absorber material to improve the capability of range measurements of somewhat higher energy particles. Unlike previous attempts to implement a pCT by using multiple detectors, our instrument will be a single device performing tracking, particle identification and energy/range measurements simultaneously. Because of the extremely large number of cells the device will be able to cope with a large amount of particles simultaneously, thus providing a breakthrough in rate capabilities. In addition, by using the same granularity throughout, the problem of matching track and energy measurements is non-existent.