Proton CT. Helge Pettersen Helse Vest doktorgradsstipendiat HUS / UiB

Transkript

1 Proton CT? Helge Pettersen Helse Vest doktorgradsstipendiat HUS / UiB

2 Innhold Motivasjon Protonterapi Protonfysikk Proton CT Oversikt Mitt prosjekt Status i verden 2

3 Introduksjon Jeg ble tildelt Helse Vests doktorgradsstipend Prosjektets tittel er I samarbeid med Avd. for medisinsk fysikk ved HUS Gruppe for subatomær fysikk / kjernefysikk ved UiB

4 Design Introduksjon

5 Design Simulering (GATE/Geant4) Introduksjon

6 Design Simulering (GATE/Geant4) Introduksjon Eksperimenter (CERN, Nederland, ++)

7 Design Simulering (GATE/Geant4) Introduksjon Eksperimenter (CERN, Nederland, ++) Dataanalyse (C++)

8 Design Simulering (GATE/Geant4) Introduksjon Eksperimenter (CERN, Nederland, ++) Dataanalyse (C++) Bilderekonstruksjon

9 Endelig mål Med en klinisk proton CT: Verifisere pasient- og tumorposisjon online Mer nøyaktig doseplan Økt konformitet i behandling Høykontrast radiografi Mange «sci-fi» muligheter: Online doseplan med nøyaktig anatomi og vevsegenskaper Hypofraksjonering? Enkeltfraksjonering? pct - Helge Pettersen 9

10 Konvensjonell stråleterapi vs protonterapi Figur fra Engeseth, GM (Haukeland) pct - Helge Pettersen 10

11 Rekkevidden til protoner Under protonterapi stoppes protonene i kroppen Hvor de stoppes avhenger av energi og vevsegenskaper Vevsegenskaper: Elektrontetthet Ioniseringspotensialet Bethe-formelen sier hvor mye stoppekraft vevet har: Stoppekraft n e Energi log Energi log I Hans Bethe Jo høyere stoppekraft, jo raskere blir protonets energi avsatt i vev pct - Helge Pettersen 11

12 Rekkevidden til protoner Stoppekraft n e Energi log Energi log I I dag er prosessen: Med en tabell finner man elektrontetthet fra CT-bilder Man bruker ioniseringspotensialet til vann Rekkevidde-usikkerheter pct - Helge Pettersen 12

13 Rekkevidde-usikkerhet Estimert usikkerhet fra forskjellige modaliteter: Single Energy CT: Opptil 7.4 % usikkerhet Dual Energy CT: Opptil 1.7 % usikkerhet Proton CT: Opptil 0.3 % usikkerhet Samme fysikk bak avbildning og behandling pct - Helge Pettersen 13

14 Beregning av elektrontetthet fra CT GAMMEX 467 tissue characterization phantom Copyright 2014 Gammex, Inc. All Rights Reserved 14

15 Beregning av elektrontetthet fra CT Spec sheet from GAMMEX 467 tissue characterization phantom Copyright 2014 Gammex, Inc. All Rights Reserved X-ray CT image of calibration phantom 15

16 Beregning av elektrontetthet fra CT Schaffner, B. and E. Pedroni, The precision of proton range calculations in proton radiotherapy treatment planning: experimental verification of the relation between CT-HU and proton stopping power. Phys Med Biol, (6): p

17 Litt fysikk pct - Helge Pettersen 17

18 Protonfysikk Forenkling: Fotoner: Absorberes eller går rett gjennom Protoner: Mange små kollisjoner, gradvis nedbremsing og endring av kurs Protoner Fotoner pct - Helge Pettersen 18

19 Protonfysikk 2: Energitap i vann Stoppekraft for protoner i vann Ved lave energier er stoppekraften svært stor 19

20 Protonfysikk 2: Energitap i vann Nesten all energi avsettes i et lite område: Bragg Peak Energi Avsatt energi Luft H 2 O William Bragg

21 Energitap i vann Energi Avsatt energi Luft H 2 O 21

22 Ved å øke energien økes rekkevidden Energi Avsatt energi 22

23 Ved å øke energien økes rekkevidden Energi Avsatt energi 23

24 Til bragg-peaken ligger bak målvolumet Energi Avsatt energi 24

25 Hvor den kan måles Energi Avsatt energi H 2 O Detektor Energy detector 25

26 Hvor den kan måles Energi 5 mm kontrast Avsatt energi Detektor 26

27 Proton CT pct - Helge Pettersen 27

28 Design av en proton CT pct - Helge Pettersen 28

29 Mitt PhD-prosjekt Jeg skal utvikle en ny prototype for en proton CT Basert på CERN-detektor Originalt for super-høyenergi ( MeV) Tilgjengelig for oss: Står i Utrecht, NL Simulering med Monte Carlo Av strålelinje, pasient, detektoroppsett og dataopptak Optimalisering (produksjon av ny detektor) pct - Helge Pettersen 29

30 FOrward Calorimeter for ALICE (FOCAL) pct - Helge Pettersen 30

31 FOrward Calorimeter for ALICE (FOCAL) T. Peitzmann, Utrecht University, for the ALICE-FoCal Collaboration Prototype Studies for a Forward EM Calorimeter in ALICE pct - Helge Pettersen 31

32 Målinger pct - Helge Pettersen 32

33 Simuleringer pct - Helge Pettersen 33

34 Avsatt energi Bragg peak til et individuelt proton, fra måling Avsatt energi Water Equivalent Path Length [mm] pct - Helge Pettersen 34

35 pct - Helge Pettersen 35

36 Noen utfordringer å takle Protonbanene er ikke rettlinjede, i mots. til CT Skaper hodebry når man skal danne bilder Object (O) The proton tracks through O Raw data projection (sinogram) FBP reconstruction using straight path approach Li, T. and J.Z. Liang. Reconstruction with most likely trajectory for proton computed tomography. SPIE proceedings, 2004 pct - Helge Pettersen 36

37 Most Likely Path-korreksjon pct - Helge Pettersen 37

38 Noen utfordringer å takle Hastighet på datautlesning De første systemene ~khz (20 timer hode CT) Dagens systemer ~MHz (6 min hode CT) Vi kan klare ~500 MHz pct - Helge Pettersen 38

39 Energi For hode CT trenger man >200 MeV protoner (klinisk tilgjengelig) For kroppen trenger man >250 MeV protoner (ikke klinisk tilgjengelig) Poludniowski et al., Proton radiography and tomography with application to proton therapy (review), BR J Radiol 2015; 88: pct - Helge Pettersen 39

40 Dagens systemer pct - Helge Pettersen 40

41 Dagens systemer Loma Linda University Medical Center Har kommet lengst per i dag 3rd ESTRO forum, april 2015 pct - Helge Pettersen 41

42 pct - Helge Pettersen 42

43 PRaVDA i Birmingham pct - Helge Pettersen 43

44 Overview of existing systems (as of sep 13) PRIMA collaboration at INFN (Uni. of Florence and Catania) 2 systems (5x5 cm 2 and 5x20 cm 2 w/1 MHz readout!) Silicon strip trackers (SSD), YAG 1 crystal calorimeter 1 YAG: Yttrium Aluminium Garnet Civinini, C., et al., Recent results on the development of a proton computed tomography system. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated 44 Equipment, (0): p

45 INFN PRIMA collaboration pct - Helge Pettersen 45

46 Oppsummering Protonrekkevidden er svært sensitiv for tetthetsforskjeller Objekter med lav kontrast er enkle å finne Kommer fra fysikken bak hvordan protonet stoppes Proton CT: Man slipper å slå opp i tabeller for å beregne doseplaner i protonterapi Økt rekkeviddenøyaktighet Simuleringer viser at man får under 1 mm nøyaktighet Men Trenger å måle energi og posisjon til individuelle protoner Trenger svært hurtig datautlesning og -rekonstruksjon pct - Helge Pettersen 46

47 Takk for oppmerksomheten! pct - Helge Pettersen 47

48 pct - Helge Pettersen 48

49 pct - Helge Pettersen 49

50 Det første proton-radiografiet (1968) Tatt ved hjelp av mange lag med Polaroid type 52-film Kunne observere 0.2% kontrastforskjell (!) 67 mm Al-folie Kontrast: Ekstra 0.13 mm Al-folie Koehler, A.M., Proton Radiography. Science, (3825): p pct - Helge Pettersen 50

51 pct - Helge Pettersen 51

52 Overview of existing systems (as of sep 13) 1. Proton radiography (not pct) at Paul Scherrer Institute 2. TERA foundation at CERN 3. PRIMA collaboration at INFN (Uni. of Florence and Catania) 2 systems 4. Northern Illinois University Fermilab (very early) 5. Loma Linda Uni. Medical Center + Uni. Center of Santa Cruz (+ NIU) 2 systems, «almost» clinical pct - Helge Pettersen 52

53 Overview of existing systems (as of sep 13) Paul Scherrer Institute 2 systems Film setup (as described earlier) FROG Fast proton Radiography On the PSI Gantry Pemler, P., et al., A detector system for proton radiography on the gantry of the Paul-Scherrer- Institute. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, 53 Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, (2 3): p

54 Overview of existing systems (as of sep 13) TERA foundation at CERN Gas Electron Multiplier tracker, 30x30 cm 2 pct - Helge Pettersen 54

55 TERA foundation at CERN example images pct - Helge Pettersen 55

56 NIU Fermilab: Fiber scanner Large FOV (18x36 cm 2 ) Very quick data readout (10 MHz?) Very high position resolution 4-6x of Si SSD Tracker design Reconstructed Bragg peak Harmut F.-W. Sadrozinski: pct IEEE Uzunyan, S., et al., Development of a proton Computed Tomography (pct) scanner at NIU. arxiv preprint arxiv: , 2013.

57 LLUMC / UCSC LLUMC: 1 st system 1 st proton therapy center 20 khz data readout Harmut F.-W. Sadrozinski: pct IEEE

58 LLUMC / UCSC LLUMC: 2 nd system 9x36 cm 2 silicon strip detector Faster plastic scintillator «Best so far»? 2 MHz data readout (100x 20 khz) pct - Helge Pettersen 58

59 Commercial actors? PROTOM 330 MeV system, with proton CT??? Very little information about the «tomography» part Earlier versions of webpage mentioned pct, now nothing 59

60 Other research activities CREATIS in Lyon working on reconstruction algorithms pct - Helge Pettersen 60

61 Other research activities Aarhus University / MGU Simulations of ion CT and dual modality (CBCT/pCT) imaging pct - Helge Pettersen 61