Proton therapy monitoring with orthogonal prompt-gamma imaging: the case of head irradiation

Trabalho de Projeto do Mestrado Integrado em Engenharia Biomédica apresentado à Faculdade de Ciências e TecnologiaA prototerapia (PT) está a tornar-se cada vez mais uma ferramenta para trata- mento de tumores não metastizados. Isto é devido à capacidade que a PT tem de depositar uma grande quantidade da energia do feixe no final do seu alcance, o pico de Bragg (BP). Apesar de demonstrar resultados clinicamente promissores, a PT pode ainda ser sujeita a diversas melhorias, pois existem diversos fatores que podem comprometer a posição do pico de Bragg. Tendo isto em conta, vários procedimentos estão a ser desenvolvidos em prol da monitorização da deposição da energia da PT dentro da localização do BP prevista. Neste trabalho, a técnica a ser avaliada é a imagiologia por raios-gama ortogonais (O-PGI). Esta técnica é baseada na deteção das partículas consequentes das interações nucleares entre os protões disparados no feixe e os núcleos atómicos presentes no doente a ser tratado. Neste trabalho, o foco será em analisar a habilidade que o O-PGI tem em detetar a posição da zona de queda distal do BP durante a irradiação de fantomas heterogéneos (antropomórficos), utilizando cintiladores de YAP como detetores de partículas posicionados entre os colimadores de tungsténio. Foi desenvolvido um método para deteção do BP em fun ̧ca ̃o do perfil de contagens obtidos com a O-PGI. Obteve- se uma precisa ̃o na localiza ̧ca ̃o da zona de queda distal do BP de 2mm largura a meia altura (FWHM) aquando da irradiação de um fantoma antropomórfico na zona da glândula hipófise com um feixe de protões com 130 MeV de energia.Proton therapy (PT) is becoming more and more a means to handle non-metastatic tumours. This is due to the capability of proton therapy to deposit most of the energy of the proton beam in an highly localized region at the end of its range, the Bragg peak (BP). Despite showing promising results, PT is a procedure that is still subject to even more improvements since many factors may cause uncertainties that change the position of the Bragg peak. Due to this fact, several procedures are being developed worldwide, aiming at the monitoring of the PT energy deposition within the predicted Bragg peak location. The technique being investigated within this work is the so-called orthogonal prompt- gamma imaging (O-PGI) concept. The orthogonal prompt-gamma imaging technique is based in detecting the by-products of nuclear reactions and interactions occurring between the incoming proton projectiles and the nuclei present in the patient's tissues. In the current work, we are focused on analyzing the ability of O-PGI to detect the distal edge position of the Bragg peak during the irradiation of heterogenous phantoms (anthropomorphic), using yttrium aluminum perovskite (YAP) scintillators as particle detectors positioned in between tungsten septa. A 2mm full width at half maximum (FWHM) precision of the location of the distal edge region of the BP was obtained when irradiating an anthropomorphic phantom in the hypophysis gland region, with a proton beam with 130 MeV of energy used for the simulation procedure