Coincident detection of Cherenkov photons for medical applications

Abstract

The detection of higher energetic gamma rays (≥ 1 MeV) is of increasing importance in medical imaging and nuclear medicine. Especially proton therapy treatment could benefit from the ability to measure prompt gammas emitted subsequent to the irradiation of the patient with high-energetic sub-atomic particles like protons. Such an imaging modality would help monitor the treatment process and ensure correct particle range and optimal dose delivery to the tumor while sparing surrounding healthy tissue. One potential gamma detector for medical applications is the Compton camera – a two-layer detection system, where an incoming gamma scatters in a first detection layer and is absorbed in a second layer. In the first layer, a Compton electron is created, which carries a large part of the momentum information about the incoming gamma. A coincidence measurement of energy and position of both the electron and the absorbed gamma enables to reconstruct the gamma source location to lie on the surface of a cone. Knowledge of the electron momentum direction enables to confine the origin to an arc. The real reconstructed source position is obtained by the measurement and superposition of many of these cones or arcs, respectively. In this work, a novel detection concept for the Compton scattered electron is presented and investigated, which is based on the coincident measurement of Cherenkov photons created by that electron in an optically transparent radiator material. The photons are emitted along the surface of a cone with a characteristic opening angle that mainly depends on the refractive index of the material and the velocity of the electron. The intersection of this Cherenkov cone with a photon sensitive detector area forms a ring or an ellipse, which can be used to reconstruct the cone and the momentum direction of the electron. The number of emitted photons yields information on the electron energy, while the size of the ellipse contains information on the scattering vertex position. A first proof of this concept is provided in this thesis. In a first test set-up, a successful coincident measurement of Cherenkov photons on an array of Silicon-Photomultipliers (SiPMs) was performed. The photons were created by electrons from a Sr-90 source inside radiator materials of different types and thicknesses. A coincidence time resolution of 242 ps could be achieved using signal read-out based on an application specific integrated circuit (ASIC). The number of detected photons could be counted with a charge integrating measurement and analysis method using an oscilloscope. The width of the distribution of the measured patterns was quantified and was in good agreement with predictions. All results were compared with calculations, which were performed under consideration of electron energy and range, detection efficiency of the SiPM, detector geometry and absorption properties of the radiator. A sensitivity of the measured pattern to the thickness of the sample and to the position of the electron source was observed from accumulated coincident events. These patterns also allowed for a reconstruction of the electron source position with an accuracy better than 1 mm. In the scope of the development of the set-up and measurement method, all detector components were investigated to find the optimal parameter settings and the most suited radiator materials. With an improved set-up with a different ASIC and cooled detectors a coincident light detection on single photon level was possible. An extensive correction algorithm allowed for a compensation of time walk effects and inherent time differences between individual ASIC channels. The ability to count the number of detected Cherenkov photons per event and per Silicon Photomultiplier (SiPM) channel was implemented using the Time over Threshold (TOT) information of the SiPM signals. The average number of detected photons per event was measured for various sample thicknesses and the results were compared to calculations and simulations performed with Geant4. After these first successful coincidence measurements, the detection principle was applied to the detection of Compton scattered electrons and photo electrons created by 511 keV photons from a Na-22 source in UV transparent Polymethyl Metacrylate (PMMA). A detection efficiency on the order of 0.001 was found. Simulations indicate a strong increase in the efficiency to about 3 % for higher gamma energies. The number of detected Cherenkov photons from Compton electrons was counted and compared with simulation results. The measured coincidence pattern from accumulated events showed response to a shift of the gamma source position. The ability to detect Cherenkov photons from Compton electrons in coincidence could be successfully demonstrated. In future works, the patterns of individual events need to be used to reconstruct the Cherenkov cone and the electron momentum direction. The achievements in this thesis constitute a vital step towards an application of this electron detection principle for medical purposes and could help realize prompt gamma detection in particle therapy treatment using a Compton camera.

Die Detektion höherenergetischer Gammastrahlung (≥ 1 MeV) ist von wachsender Bedeutung für die medizinische Bildgebung und die Nuklearmedizin. Besonders die Partikeltherapie könnte von der Möglichkeit profitieren, prompte Gammastrahlen zu messen, welche in Folge der Bestrahlung des Patienten mit hochenergetischen, subatomaren Teilchen wie Protonen emittiert werden. Solch ein Bildgebungsverfahren würde die Überwachung des Behand- lungsprozesses unterstützen und dabei helfen, die korrekte Teilchenreichweite und die opti- male Dosisverabreichung im Tumor sicherzustellen und dabei umliegendes Gewebe zu schonen. Ein Kandidat für einen Gammadetektor in medizinischen Anwendungen ist die Compton Camera – ein zweilagiges Detektorsystem, bei welchem ein einfallendes Gamma in einer ersten Detektorschicht streut und in einer zweiten absorbiert wird. In der ersten Schicht wird ein Compton-Elektron erzeugt, welches einen großen Teil der Impulsinformation des einfallenden Gammas trägt. Eine koinzidente Messung von Energie und Position des Elektrons als auch des gestreuten Gammas ermöglicht es, die Ursprungsrichtung des Gammas auf die Oberfläche eines Kegels einzuschränken. Kenntnis des Elektronenimpulses ermöglicht eine Einschränkung des Usprungs auf einen Kreisbogen. Die tatsächliche rekonstruierte Quellposition wird durch Messung und Überlagerung vieler dieser Kegel beziehungsweise Kreisbögen gewonnen. In dieser Arbeit wird ein neues Messkonzept für Compton-gestreute Elektronen präsentiert und untersucht, welches auf der koinzidenten Messung von Cherenkovphotonen basiert, die durch das Elektron in einem optisch transparenten Radiatormaterial abgestrahlt werden. Die Photonen werden entlang der Oberfläche eines Kegels mit charakteristischem Öffnungswinkel emittiert, welcher hauptsächlich vom Brechungsindex des Materials und der Geschwindigkeit des Elektrons abhängt. Der Schnitt des Cherenkovkegels mit einer lichtsensitiven Detek- torebene erzeugt einen Ring oder eine Ellipse, welche dazu verwendet werden kann, den Kegel und die Impulsinformation des Elektrons zu rekonstruieren. Die Anzahl der emittierten Photonen gibt Aufschluss über die Energie des Elektrons, während die Größe der Ellipse Informationen über die Position des Compton-Streuvertex enthält. Ein erster Machbarkeitsnachweis wird in dieser Dissertation vorgestellt. Eine erfolgreiche Koinzidenzmessung von Cherenkovphotonen auf einem Array von Silizium-Photomultipliern (SiPMs) wurde mit einem ersten Testaufbau durchgeführt. Die Photonen wurden von Elek- tronen aus einer Sr-90-Quelle in Radiatormaterialien unterschiedlicher Typen und Stärken erzeugt. Unter Verwendung einer Ausleseelektronik basierend auf einem Application Specific Integrated Circuit (ASIC) konnte eine Koinzidenzzeitauflösung von 242 ps erreicht werden. Die Anzahl der detektierten Photonen konnte mit einem Oszilloskop mittels Ladungsinte- gration gezählt werden. Die Breite der Verteilung der aufgenommenen Pattern (Hitmuster koinzidenter Photonen) wurde quantifiziert und war in guter Übereinstimmung mit Vorher- sagen. Alle Ergebnisse wurden mit Berechnungen verglichen, welche unter Berücksichtigung von Elektronenenergie und -reichweite, Detektionseffizienz des SiPM, Detektorgeometrie und Absorptionseigenschaften des Radiators angestellt worden waren. Es wurde eine Sensi- tivität der gemessenen Pattern von akkumulierten Ereignissen hinsichtlich Radiatorstärke und Quellposition beobachtet. Diese Pattern ermöglichten es des Weiteren, die Position der Elektronenquelle mit einer Genauigkeit von unter 1 mm zu rekonstruieren. Im Rahmen der Entwicklung des Messaufbaus und der Messmethode wurden alle Detektorkomponenten un- tersucht, um die optimalen Einstellungen und die am besten geeigneten Radiatormaterialien zu finden. Mit einem verbesserten Aufbau unter Verwendung eines anderen ASICs und gekühlten Detektoren war eine koinzidente Lichtdetektion auf Einzelphotonenniveau möglich. Ein aufwändiger Korrekturalgorithmus ermöglichte die Kompensation von Time-Walk-Effekten und inherenten Zeitunterschieden zwischen einzelnen Kanälen des ASICs. Die Möglichkeit, die Anzahl detektierter Cherenkovphotonen zu zählen, wurde unter Verwendung der Time- over-Threshold-Information der SiPM-Signale umgesetzt. Die mittlere Anzahl detektierter Photonen pro Ereignis wurde für unterschiedliche Materialstärken gemessen und mit Berech- nungen und Geant4-Simulationen verglichen. Nach diesen ersten erfolgreichen Koinzidenzmessungen wurde das Detektionsprinzip für den Nachweis von Compton- und Photoelektronen verwendet, welche in UV-transparentem Polymethylmethacrylat (PMMA) von Photonen mit einer Energie von 511 keV aus einer Na-22 Quelle erzeugt wurden. Es wurde eine Detektionseffizienz in der Größenordnung von 0,001 ermittelt. Simulationen deuten auf einen starken Anstieg der Effizienz auf etwa 3 % für höherenergetische Gammas hin. Die Anzahl der detektierten Cherenkovphotonen von Comp- tonelektronen wurde gezählt und mit Simulationsergebnissen verglichen. Die gemessenen Koinzidenzmuster von akkumulierten Ereignissen sprachen auf eine Änderung der Position der Gammaquelle an. Die Möglichkeit, Cherenkovphotonen vom Comptonelektronen in Koinzidenz zu detektieren, konnte erfolgreich nachgewiesen werden. In zukünftigen Arbeiten müssen die Pattern einzelner Ereignisse verwendet werden, um den Cherenkovkegel und den Elektronenimpuls zu rekon- struieren. Die Erfolge in dieser Dissertation stellen einen wesentlichen Schritt in Richtung einer Anwendung für medizinische Zwecke dar und könnten dazu beitragen, Prompt-Gamma- Detektion in der Partikeltherapie mittels Compton Cameras zu realisieren.