Academic literature on the topic 'Gamma-rays imaging'

In this thesis we present the R&D of a Compton Camera (CC) for small object imaging. The CC concept requires two detectors to obtain the incoming direction of the gamma ray. This approach, sometimes named ``Electronic Collimation,'' differs from the usual technique that employs collimators for physically selecting gamma-rays of a given direction. This solution offers the advantage of much greater sensitivity and hence smaller doses. We propose a novel design, which uses two similar Position Sensitive Photomultipliers (Hamamatsu 8500) coupled to different scintillators (one plastic and one inorganic). Assets of just one kind of detector are the simplicity of design and operation. Along the experimental apparatus we present our original algorithm for image reconstruction, that was tested with a Geant4 Monte Carlo code. Employed on experimental data, we obtained a resolution of 6 mm, which is suitable for small animal imaging (such as rats or rabbits) and for small human organs imaging (thyroid and prostate). The prototype was designed to be a compact modular element that can be extended placing more similar detectors side by side<br>In questa tesi presentiamo il lavoro di ricerca e sviluppo di una Camera Compton (CC) per imaging di piccoli oggetti. Le CC richiedono l'utilizzo di due rivelatori per ottenere la direzione d'incidenza di raggi gamma. Questo approccio, talvolta chiamato ``Collimazione Elettronica,'' si differenzia dalle tecniche usuali che utilizzano collimatori per selezionare fisicamente i raggi gamma di una certa direzione. Questa soluzione offre il vantaggio di una sensibilità maggiore e quindi di dosi inferiori. Proponiamo qui un nuovo sistema, che usa due similari Fotomoltiplicatori sensibili alla posizione (Hamamatsu 8500) accoppiati a differenti scintillatori (uno in plastica ed uno inorganico). Avere un solo tipo di rivelatore comporta una maggiore semplicità di progettazione ed utilizzo. Assieme all'apparato sperimentale, presentiamo il nostro algoritmo originale per la ricostruzione d'immagini, che è stato testato con un codice Monte Carlo scritto con Geant4. Applicando l'algoritmo ai dati sperimentali, abbiamo ottenuto una risoluzione di 6 mm, che è adatta all'imaging di piccoli animali (quali ratti e conigli) e per piccoli organi umani (tiroide e prostata). Il prototipo è stato sviluppato per per essere un elemento modulare compatto, che può essere esteso affiancando altri rivelatori simili

Background The finite range of a proton beam in tissue and the corresponding steep distal dose gradient near the end of the particle track open new vistas for the delivery of a highly target-conformal dose distribution in radiation therapy. Compared to a classical photon treatment, the potential therapeutic benefit of a particle treatment is a significant dose reduction in the tumor-surrounding tissue at a comparable dose level applied to the tumor. Motivation The actually applied particle range, and therefor the dose deposition in the target volume, is quite sensitive to the tissue composition in the path of the protons. Particle treatments are planned via computed tomography images, acquired prior to the treatment. The conversion from photon stopping power to proton stopping power induces an important source of range-uncertainty. Furthermore, anatomical deviations from planning situation affect the accurate dose deposition. Since there is no clinical routine measurement of the actually applied particle range, treatments are currently planned to be robust in favor of optimal regarding the dose delivery. Robust planning incorporates the application of safety margins around the tumor volume as well as the usage of (potentially) unfavorable field directions. These pretreatment safety procedures aim to secure dose conformality in the tumor volume, however at the price of additional dose to the surrounding tissue. As a result, the unverified particle range constraints the principle benefit of proton therapy. An on-line, in-vivo range-verification would therefore bring the potential of particle therapy much closer to the daily clinical routine. Materials and methods This work contributes to the field of in-vivo treatment verification by the methodical investigation of range assessment via the detection of prompt gamma-rays, a side product emitted due to proton-tissue interaction. In the first part, the concept of measuring the spatial prompt gamma-ray emission profile with a Compton camera is investigated with a prototype system consisting of a CdZnTe cross strip detector as scatter plane and three side-by-side arranged, segmented BGO block detectors as absorber planes. In the second part, the novel method of prompt gamma-ray timing (PGT) is introduced. This technique has been developed in the scope of this work and a patent has been applied for. The necessary physical considerations for PGT are outlined and the feasibility of the method is supported with first proof-of-principle experiments. Results Compton camera: Utilizing a 22-Na source, the feasibility of reconstructing the emission scene of a point source at 1.275 MeV was verified. Suitable filters on the scatter-absorber coincident timing and the respective sum energy were defined and applied to the data. The source position and corresponding source displacements could be verified in the reconstructed Compton images. In a next step, a Compton imaging test at 4.44 MeV photon energy was performed. A suitable test setup was identified at the Tandetron accelerator at the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, Germany. This measurement setup provided a monoenergetic, point-like source of 4.44 MeV gamma-rays, that was nearly free of background. Here, the absolute gamma-ray yield was determined. The Compton imaging prototype was tested at the Tandetron regarding (i) the energy resolution, timing resolution, and spatial resolution of the individual detectors, (ii) the imaging capabilities of the prototype at 4.44 MeV gamma-ray energy and (iii) the Compton imaging efficiency. In a Compton imaging test, the source position and the corresponding source displacements were verified in the reconstructed Compton images. Furthermore, via the quantitative gamma-ray emission yield, the Compton imaging efficiency at 4.44 MeV photon energy was determined experimentally. PGT: The concept of PGT was developed and introduced to the scientific community in the scope of this thesis. A theoretical model for PGT was developed and outlined. Based on the theoretical considerations, a Monte Carlo (MC) algorithm, capable of simulating PGT distributions was implemented. At the KVI-CART proton beam line in Groningen, The Netherlands, time-resolved prompt gamma-ray spectra were recorded with a small scale, scintillator based detection system. The recorded data were analyzed in the scope of PGT and compared to the measured data, yielding in an excellent agreement and thus verifying the developed theoretical basis. For a hypothetical PGT imaging setup at a therapeutic proton beam it was shown, that the statistical error on the range determination could be reduced to 5 mm at a 90 % confidence level for a single spot of 5x10E8 protons. Conclusion Compton imaging and PGT were investigated as candidates for treatment verification, based on the detection of prompt gamma-rays. The feasibility of Compton imaging at photon energies of several MeV was proven, which supports the approach of imaging high energetic prompt $gamma$-rays. However, the applicability of a Compton camera under therapeutic conditions was found to be questionable, due to (i) the low device detection efficiency and the corresponding limited number of valid events, that can be recorded within a single treatment and utilized for image reconstruction, and (ii) the complexity of the detector setup and attached readout electronics, which make the development of a clinical prototype expensive and time consuming. PGT is based on a simple time-spectroscopic measurement approach. The collimation-less detection principle implies a high detection efficiency compared to the Compton camera. The promising results on the applicability under treatment conditions and the simplicity of the detector setup qualify PGT as method well suited for a fast translation towards a clinical trial<br>Hintergrund Strahlentherapie ist eine wichtige Modalität der therapeutischen Behandlung von Krebs. Das Ziel dieser Behandlungsform ist die Applikation einer bestimmten Strahlendosis im Tumorvolumen, wobei umliegendes, gesundes Gewebe nach Möglichkeit geschont werden soll. Bei der Bestrahlung mit einem hochenergetischen Protonenstrahl erlaubt die wohldefinierte Reichweite der Teilchen im Gewebe, in Kombination mit dem steilen, distalen Dosisgradienten, eine hohe Tumor-Konformalität der deponierten Dosis. Verglichen mit der klassisch eingesetzten Behandlung mit Photonen ergibt sich für eine optimiert geplante Behandlung mit Protonen ein deutlich reduziertes Dosisnivau im den Tumor umgebenden Gewebe. Motivation Die tatsächlich applizierte Reichweite der Protonen im Körper, und somit auch die lokal deponierte Dosis, ist stark abhängig vom Bremsvermögen der Materie im Strahlengang der Protonen. Bestrahlungspläne werden mit Hilfe eines Computertomographen (CT) erstellt, wobei die CT Bilder vor der eigentlichen Behandlung aufgenommen werden. Ein CT misst allerdings lediglich den linearen Schwächungskoeffizienten für Photonen in der Einheit Hounsfield Units (HU). Die Ungenauigkeit in der Umrechnung von HU in Protonen-Bremsvermögen ist, unter anderem, eine wesentliche Ursache für die Unsicherheit über die tatsächliche Reichweite der Protonen im Körper des Patienten. Derzeit existiert keine routinemäßige Methode, um die applizierte Dosis oder auch die Protonenreichweite in-vivo und in Echtzeit zu bestimmen. Um das geplante Dosisniveau im Tumorvolumen trotz möglicher Reichweiteunterschiede zu gewährleisten, werden die Bestrahlungspläne für Protonen auf Robustheit optimiert, was zum Einen das geplante Dosisniveau im Tumorvolumen trotz auftretender Reichweiteveränderungen sicherstellen soll, zum Anderen aber auf Kosten der möglichen Dosiseinsparung im gesunden Gewebe geht. Zusammengefasst kann der Hauptvorteil einer Therapie mit Protonen wegen der Unsicherheit über die tatsächlich applizierte Reichweite nicht wirklich realisiert. Eine Methode zur Bestimmung der Reichweite in-vivo und in Echtzeit wäre daher von großem Nutzen, um das theoretische Potential der Protonentherapie auch in der praktisch ausschöpfen zu können. Material und Methoden In dieser Arbeit werden zwei Konzepte zur Messung prompter Gamma-Strahlung behandelt, welche potentiell zur Bestimmung der Reichweite der Protonen im Körper eingesetzt werden können. Prompte Gamma-Strahlung entsteht durch Proton-Atomkern-Kollision auf einer Zeitskala unterhalb von Picosekunden entlang des Strahlweges der Protonen im Gewebe. Aufgrund der prompten Emission ist diese Form der Sekundärstrahlung ein aussichtsreicher Kandidat für eine Bestrahlungs-Verifikation in Echtzeit. Zum Einen wird die Anwendbarkeit von Compton-Kameras anhand eines Prototyps untersucht. Dabei zielt die Messung auf die Rekonstruktion des örtlichen Emissionsprofils der prompten Gammas ab. Zum Zweiten wird eine, im Rahmen dieser Arbeit neu entwickelte Messmethode, das Prompt Gamma-Ray Timing (PGT), vorgestellt und international zum Patent angemeldet. Im Gegensatz zu bereits bekannten Ansätzen, verwendet PGT die endliche Flugzeit der Protonen durch das Gewebe und bestimmt zeitliche Emissionsprofile der prompten Gammas. Ergebnisse Compton Kamera: Die örtliche Emissionsverteilung einer punktförmigen 22-Na Quelle wurde wurde bei einer Photonenenergie von 1.275 MeV nachgewiesen. Dabei konnten sowohl die absolute Quellposition als auch laterale Verschiebungen der Quelle rekonstruiert werden. Da prompte Gamma-Strahlung Emissionsenergien von einigen MeV aufweist, wurde als nächster Schritt ein Bildrekonstruktionstest bei 4.44 MeV durchgeführt. Ein geeignetes Testsetup wurde am Tandetron Beschleuniger am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, Deutschland, identifiziert, wo eine monoenergetische, punktförmige Emissionverteilung von 4.44 MeV Photonen erzeugt werden konnte. Für die Detektoren des Prototyps wurden zum Einen die örtliche und zeitliche Auflösung sowie die Energieauflösungen untersucht. Zum Anderen wurde die Emissionsverteilung der erzeugten 4.44 MeV Quelle rekonstruiert und die zugehörige Effizienz des Prototyps experimentell bestimmt. PGT: Für das neu vorgeschlagene Messverfahren PGT wurden im Rahmen dieser Arbeit die theoretischen Grundlagen ausgearbeitet und dargestellt. Darauf basierend, wurde ein Monte Carlo (MC) Code entwickelt, welcher die Modellierung von PGT Spektren ermöglicht. Am Protonenstrahl des Kernfysisch Verschneller Institut (KVI), Groningen, Niederlande, wurden zeitaufgelöste Spektren prompter Gammastrahlung aufgenommen und analysiert. Durch einen Vergleich von experimentellen und modellierten Daten konnte die Gültigkeit der vorgelegten theoretischen Überlegungen quantitativ bestätigt werden. Anhand eines hypothetischen Bestrahlungsszenarios wurde gezeigt, dass der statistische Fehler in der Bestimmung der Reichweite mit einer Genauigkeit von 5 mm bei einem Konfidenzniveau von 90 % für einen einzelnen starken Spot 5x10E8 Protonen mit PGT erreichbar ist. Schlussfolgerungen Für den Compton Kamera Prototyp wurde gezeigt, dass eine Bildgebung für Gamma-Energien einiger MeV, wie sie bei prompter Gammastrahlung auftreten, möglich ist. Allerdings erlaubt die prinzipielle Abbildbarkeit noch keine Nutzbarkeit unter therapeutischen Strahlbedingungen nicht. Der wesentliche und in dieser Arbeit nachgewiesene Hinderungsgrund liegt in der niedrigen (gemessenen) Nachweiseffizienz, welche die Anzahl der validen Daten, die für die Bildrekonstruktion genutzt werden können, drastisch einschränkt. PGT basiert, im Gegensatz zur Compton Kamera, auf einem einfachen zeit-spektroskopischen Messaufbau. Die kollimatorfreie Messmethode erlaubt eine gute Nachweiseffizienz und kann somit den statistischen Fehler bei der Reichweitenbestimmung auf ein klinisch relevantes Niveau reduzieren. Die guten Ergebnissen und die ausgeführten Abschätzungen für therapeutische Bedingungen lassen erwarten, dass PGT als Grundlage für eine Bestrahlungsverifiktation in-vivo und in Echtzeit zügig klinisch umgesetzt werden kann

Experimental and GEANT4 simulated Compton camera images and results are presented. This thesis aims to assess the contrasting performance of two seperate detector configurations which include a two germanium Compton camera (GeGe) and a germanium caesium iodide (GeCsI) Compton camera. GEANT4 software has previously been validated. All images were reconstructed using an existsing image reconstruction algorithm which utilises a simple back projection method.

Le contrôle non destructif et l'imagerie par rayons γ sont largement utilisés dans l'industrie de production de combustible nucléaire et en médecine nucléaire. Cette thèse est centrée sur une nouvelle application d'un détecteur de pointe, basé sur une caméra au xénon liquide dont le champ de vue est 24 cm, XEMIS2. Cette caméra, construite à Nantes, en France, a été initialement conçue pour l’imagerie médicale à 3-gammas chez les petits animaux. Elle fait désormais l’objet d’une étude approfondie pour explorer la nouvelle application dans le contrôle non destructif et l’imagerie de pastilles ou de barres de combustible MOX à haute densité (&gt; 10 g/cm³). Ils émettent un large spectre de rayons γ, ce qui constitue un objectif ambitieux et complexe. L'objectif principal de XEMIS2 est de réduire significativement la dose reçue par les patients lors d'un diagnostic médical par imagerie nucléaire tout en conservant la même qualité d'image que les cameras conventionnelles. Le spectre d'émission des rayons γ du combustible MOX a été étudié, et une activité élevée est attendue. Cependant, la région d'intérêt (ROI) des hautes énergies, sélectionnée pour ce travail, présente un défi en raison d'une statistique plus faible. Il a été démontré que d'autres ROI utilisées dans le contrôle gamma passif non destructif actuel rencontrent des difficultés en raison d'une forte auto-absorption des rayons γ. La thèse exposera deux méthodes développées et évaluées pour le contrôle du rapport Pu/(U+Pu) dans le MOX, incluant des contributions inédites aux algorithmes dans l’imagerie Compton<br>The non-destructive control and imaging with γ-rays are well-known widely used in nuclear fuel production industry and nuclear medicine, respectively. The thesis is centered on new application of a state-of-the-art detector, based on single-phase liquid xenon 24-cm long field-of-view camera, XEMIS2. It is constructed in Nantes, France. Originally conceived for small animal medical 3-gamma imaging, the camera is now being scrutinized to explore new area of its’ application in non-destructive control and imaging of high-density (&gt; 10 g/cm3) MOX fuel pellets or rods that emit a wide spectrum of γ-rays, which is a quite relevant and ambitious goal. XEMIS2 main goal is a significant dose reduction per scan while preserving the same image quality as in conventionnal cameras. MOX fuel γ-rays emission spectrum was studied, and high activity is expected, but the useful high-energy region of interest (ROI) that was selected for this work presents a challenge due to small statistics. It was shown that other ROI used in current passive non-destructive gamma-scanning control face difficulties due to strong self-absorbtion of γ-rays. The thesis will expound on the two methods that were developed and assessed for MOX Pu/(U+Pu) ratio control, including new contributions to algorithms in Compton imaging

Der TAIGA Detektor (“Tunka Advanced Instrument for cosmic ray physics and Gamma Astronomy”) testet eine neue Nachweismethode der erdgebundenen Cherenkov Gamma Astronomie fuer 10TeV bis einige PeV, und fuer kosmische Strahlung oberhalb 100TeV: die Kombination abbildender und nicht-abbildender Cherenkov Detektoren in einem hybriden System. Im Fokus der Arbeit steht TAIGA-HiSCORE - ein Cherenkov Detektorfeld mit grosser Apertur zur Messung der Zeitstruktur der Cherenkovlichtfront in atmosphaerischen Luftschauern (EAS). Die Praezisonsvermessung der Schauerrichtung basiert auf (1) sub-nsec Zeitsynchronisation aller Detektoren, und (2) einer neuentwickelten Zeitkalibrationsmethode. Die Genauigkeit wird bestimmt mit experimentellen und simulierten EAS-Daten, spezieller LED-Kalibration und dem LIDAR Laserstrahl aus der International Space Station (ISS). Mit den HiSCORE9 Daten (2013-2014) wird die sub-nsec Zeitsynchronisation durch das White Rabbit Zeitsystem unter realen Bedingungen nachgewiesen. Eine neue, auch fuer grosse Cherenkov-Detektorfelder praktikable Zeitoffset-Kalibration aller Detektoren wurde entwickelt, und fuer HiSCORE28 (2015-2018) angewandt. Diese hybride Kalibration basiert auf EAS-Ereignissen und direkter LED-Kalibration fuer lediglich eine begrenzte Zahl von Detektoren. Die Genauigkeit der Luftschauer-Richtungsrekonstruktion wird ueber die “Schachbrett-Methode” MC-unabhaengig bestimmt zu 0.4° an der Energieschwelle (50TeV) und <= 0.2° fuer > 100TeV. Eine wichtige Zufallsentdeckung war mit HiSCORE28 moeglich: der Laser des ISS-CATS-Lidars wurde in richtungsrekonstruierten Daten von HiSCORE28 nachgewiesen. Mit den “ISS Ereignissen” gelang es, sowohl die Rekonstruktionsgenauigkeit von HiSCORE, als auch das “absolute pointing” zu messen (<=0.1°) - besonders wichtig, da eine starke Gamma-Quelle im Datensatz bisher nicht nachgewiesen wurde. Im Schlussteil der Arbeit wird ein Methode zur Punktquellensuche im gesamten Gesichtsfeld von TAIGA-HiSCORE vorgestellt.<br>The TAIGA (Tunka Advanced Instrument for cosmic ray physics and Gamma Astronomy) detector is a new ground-based Cherenkov detection technology for gamma-astronomy from 10TeV up to several PeV, and cosmic rays (CR) above 100TeV. The main topic of this work is TAIGA-HiSCORE, the wide-aperture air Cherenkov timing array. The focus is on precision extensive air shower (EAS) arrival direction reconstruction, achieved by (1) sub-nsec time-synchronization between the array stations, and (2) a newly developed array time calibration procedure. The performance is verified using simulated and experimental data from EAS, dedicated LED calibration, and a LIDAR laser beam from the International Space Station (ISS). The analysis of the HiSCORE 9 data (2013-14), collected with a data acquisition system (DAQ) based on the White Rabbit (WR) timing system, allows to verify the sub-nsec time synchronization between the array stations. The analysis of HiSCORE 28 data (2015-2018) addresses the problem of achieving an easy-to-perform time calibration for large area ground-based Cherenkov array. A new "hybrid" calibration method is developed, which makes use of EAS data, and requires direct LED calibration of only a few array stations. The "chessboard" method is applied on the reconstructed data to obtain a MC-independent estimation of the detector angular resolution, found to be 0.4° at threshold (~50TeV) and <= 0.2° above 100TeV. A serendipitous discovery was made in this work: a signal from the CATS-LIDAR on-board the ISS was found in the HiSCORE 28 data. These "ISS-events" are used to verify the detector performance, in particular the absolute angular pointing (<= 0.1°), particularly important since a strong gamma point source has not yet been detected by the TAIGA-HiSCORE. The final part of the work presents a first preliminary approach to a wide aperture point source analysis, developed for the TAIGA-HiSCORE in stand-alone operation.

L'hadronthérapie est l'une des modalités disponibles pour traiter le cancer. Cette modalité utilise des ions légers (protons, ions carbone) pour détruire les cellules cancéreuses. De telles particules ont une précision balistique de par leur trajectoire quasi-rectiligne, leur parcours fini et le profil de dose maximum en fin de parcours, ce qui permet, par rapport à la radiothérapie conventionnelle, d'épargner les tissus sains situés à côté, en aval et en amont de la tumeur. L'un des enjeux de l'assurance qualité de cette modalité est le contrôle du positionnement de la dose déposée par les ions dans le patient. Une possibilité pour effectuer ce contrôle est d'observer les gammas prompts émis lors des réactions nucléaires induites le long du parcours des ions dans le patient. Un prototype de caméra Compton, permettant théoriquement de maximiser l'efficacité de détection des gammas prompts, est actuellement développé dans une collaboration régionale. Mon travail de thèse s'est axé autour de cette caméra et plus particulièrement sur les points suivants : i) étudier par les simulations Monte Carlo le fonctionnement du prototype en cours de construction, notamment en regard des taux de comptage attendus sur les différents types d'accélérateurs en hadronthérapie, ii) mener des études de simulation sur l'utilisation de cette caméra en imagerie clinique, iii) caractériser les détecteurs silicium du diffuseur, iv) confronter les simulations entreprises sur la réponse de la caméra avec des mesures sur faisceau à l'aide d'un démonstrateur. Il résulte que le prototype de caméra Compton développé rend possible un contrôle de la localisation du dépôt de dose en protonthérapie à l'échelle d'un spot, à condition que l'intensité clinique du faisceau de protons soit diminuée d'un facteur 200 (intensité de 108 protons/s). Une application de la caméra Compton en médecine nucléaire semble réalisable avec l'utilisation de radioisotopes d'énergie supérieure à 300 keV. Ces premiers résultats doivent être confirmés par des simulations plus réalistes (cibles de PMMA homogènes et hétérogènes). Des tests avec l'intégration progressive de tous les éléments de la caméra vont avoir lieu courant 2016<br>Hadrontherapy is one of the modalities available for treating cancer. This modality uses light ions (protons, carbon ions) to destroy cancer cells. Such particles have a ballistic accuracy thanks to their quasi-rectilinear trajectory, their path and the finished profile maximum dose in the end. Compared to conventional radiotherapy, this allows to spare the healthy tissue located adjacent downstream and upstream of the tumor. One of this modality’s quality assurance challenges is to control the positioning of the dose deposited by ions in the patient. One possibility to perform this control is to detect the prompt gammas emitted during nuclear reactions induced along the ion path in the patient. A Compton camera prototype, theoretically allowing to maximize the detection efficiency of the prompt gammas, is being developed under a regional collaboration. This camera was the main focus of my thesis, and particularly the following points : i) studying, throughout Monte Carlo simulations, the operation of the prototype in construction, particularly with respect to the expected counting rates on the different types of accelerators in hadrontherapy ii) conducting simulation studies on the use of this camera in clinical imaging, iii) characterising the silicon detectors (scatterer) iv) confronting Geant4 simulations on the camera’s response with measurements on the beam with the help of a demonstrator. As a result, the Compton camera prototype developed makes a control of the localization of the dose deposition in proton therapy to the scale of a spot possible, provided that the intensity of the clinical proton beam is reduced by a factor 200 (intensity of 108 protons / s). An application of the Compton camera in nuclear medicine seems to be attainable with the use of radioisotopes of an energy greater than 300 keV. These initial results must be confirmed by more realistic simulations (homogeneous and heterogeneous PMMA targets). Tests with the progressive integration of all camera elements will take place during 2016