Tilbake til søkeresultatene

NANO2021-Nanoteknologi og nye materiale

Neutron and gamma-ray imaging for real-time range verification and image guidance in particle therapy

Alternativ tittel: Nøytron og fotonavbildning for rekkeviddeverifisering og bildeveiledning i partikkelterapi

Tildelt: kr 8,5 mill.

Den mest vanlege strålemetoden brukt til å behandle kreftsvulstar, er energetiske fotonstrålar. Men denne metoden har ei stor ulempe: fordi energien som blir overført til vevet avtar, vil også friskt vev rundt svulsten bli råka av ein uønskt stråledose. Dette fører til seinskadar og bidrar til redusert livskvalitet for kreftpasientar. Stråleterapi med ladde partiklar, som til dømes proton, har potensialet til å redusere dosen som treffer det friske vevet. Dette kjem først og fremst av at partiklane har ei bestemt rekkevidde i materie, inkludert menneskevev, og at det meste av energiavsettinga skjer rett før dei stoppar. Ved å fininnstille energien til dei ladde partiklane, kan ein få dei til å stoppe nøyaktig i kreftsvulsten. Denne unike eigenskapen til ladde partiklar gjer dei til eit effektivt verktøy for å drepe kreftceller, gitt at ein kjenner rekkevidda i vevet. Dessverre er det visse faktorar, som til dømes organrørsle, anatomiske endringar og posisjoneringsfeil på millimeternivå, som gjer at ein veit rekkevidda med ei viss usikkerheit. Dette gjer at ein ikkje får utnytta den bestemte rekkevidda til partikkelstrålen fullt ut. Ei ideell løysing for å redusere denne uvissa på, er å visualisere partikkelstrålen når den går gjennom pasienten, og slik "sjå" kvar partiklane stoppar under behandlinga. Behandlaren oppdagar då dei uønskte avvika med ein gong. NOVO-prosjektet (Neutron and gamma-ray imaging for real-time range verification and image guidance in particle therapy) har som mål å utvikle eit nyskapande kamera som kan "sjå" kvar dei innkommande partiklane stoppar i pasienten. For første gong vil eit kamera kunne avbilde sekundære nøytron og gammastrålar som er produsert av dei ladde partiklane. Ved å ta i bruk data frå kameraet, kan ein lage augneblinksbilde av partikkelstrålen og bestemme rekkevidda til partiklane i sanntid. Dette kan bidra til å redusere seinskadar hos pasientane, fordi ein vil redusere mengda friskt vev som blir utsett for stråling. Data generert i prosjektet så langt, gjennom datamodellar av NOVO-deteksjonssystemet, indikerer at det vil vere mogleg å identifisere potensielle rekkeviddeendringar på 2-3 mm sjølv i særs krevjande oppsett med lågare protonenergiar og intensitetar. Slike protonstrålar er til dømes brukt i behandling av lungekreft. På den eksperimentelle sida, har norske og internasjonale partnarar i NOVO-prosjektet sett i gong undersøkingar av om nye sensormateriale kan brukast som individuelle sensorelement i eit kamerasystem. Slike materiale er forventa å ha betydeleg betre fysiske eigenskapar enn sensormateriale som allereie er tilgjengelege på marknaden.

Particle therapy (PT) is an emerging radiation therapy modality offering highly conformal treatment plans as compared to conventional radiation therapy, contributing to spare healthy tissue during treatment. This is mainly due to the finite range of particles in tissue and the steep dose gradient toward the end of their range. An important challenge associated with PT is the considerable uncertainties in the particle ranges in tissue predicted by treatment planning systems in addition to those resulting from tissue heterogeneities, anatomical changes as well as inter- and intra-fractional organ motion. These uncertainties result in increased distal treatment margins in clinical protocols. Thus, it has not yet been possible to exploit the full potential of the finite range of protons in tissue, especially when tumors are located near organs at risk. There is therefore a consensus that it is of great importance to monitor the range of particles during treatment with high precision (~1-2mm). Range verification techniques will also allow on-line monitoring of the delivered dose to patient. We propose, for the first time, the development of a compact, high-efficiency single volume scatter camera (SVSC) based on optically segmented arrays of organic scintillators. The SVSC will be utilized for the detection and subsequent imaging of secondary neutrons and prompt gamma-rays (PGs) produced in nuclear interactions. The SVSC will be the first of its kind in PT offering "unification" of neutron and PG imaging in a single device with potentially revolutionizing improvements in achievable counting statistics to allow range and dose verification on a spot-by-spot basis, including weaker spots. To achieve the objective of the NOVO project, we will (1) perform a model-based design evaluation of the SVSC, (2) develop methods for optimal particle discrimination and (3) perform tests in clinically realistic conditions with a first functional prototype SVSC.

Aktivitet:

NANO2021-Nanoteknologi og nye materiale