Bildgebung mit Ionen
Die Therapie von Krebstumoren mittels Protonen und Kohlenstoff-Ionen wurde in den letzten Jahren aufgrund ihrer sehr genauen Steuerbarkeit in der Bestrahlung bösartiger Tumore bei gleichzeitiger Schonung des umliegenden Gewebes zur etablierten Therapieform. Mit der Inbetriebnahme des Ionentherapiezentrums MedAustron ist diese Therapie nun auch in Österreich verfügbar.
Für die Therapie muß die genaue Lage des Tumors bekannt sein. Diese Information beruht auf der Kenntnis des Gewebes und dessen Zusammensetzung, welches die Ionen auf dem Weg zum Tumor durchqueren müssen. Derzeit wird diese Information aus einer Computertomographie mittels Röngtenstrahlung ermittelt. Die Ionen, die in der Teilchentherapie verwendet werden, folgen jedoch gänzlich anderen physikalischen Gesetzmäßigkeiten und können mit ähnlichen Techniken wie Teilchen in der Hochenergiephysik vermessen und ihre Spuren aufgezeichnet werden. Diese Eigenschaft kann auch zur Bildgebung genutzt werden.
Aus diesem Grund forschen wir gemeinsam mit Kollegen der TU Wien (Albert Hirtl) an einem Konzept zur Computertomographie mit Protonen. Wir haben einen Prototypen gebaut und führen damit Tests im Rahmen der nicht-klinischen Forschung am MedAustron durch.
Das folgende Bild zeigt das Konzept des Systems, bestehend aus ortsauflösenden Spurdetektoren, welche ein sogeannntes Beam-Teleskop bilden. Dazwischen wird das abzubildende Objekt plaziert. Hinter dem Beamteleskop befindet sich ein Kalorimeter zur Bestimmung der verbliebenen Teilchenenergie nach Durchgang durch das Objekt.
Das folgende Bild zeigt ein Foto des Messaufbaus im nichtklinischen Bestrahlungsraum IR1 von MedAustron.
Als Beam-Teleskop verwenden wir ortsauflösende Spurdetektoren. Konkret sind das doppelseitige Silizium-Streifen-Sensoren, welche von uns im Rahmen des Belle-II Projekts entwickelt wurden. Die Front-End Elektronik basiert auf den APV25 Auslesechip, welcher wiederum für das CMS Experiment konzipiert wurde und welchen wir intensiv während unserer Arbeiten für den CMS Tracker nutzten. Das Bild rechts zeigt eines der sechs Module dieses Beam-Teleskops.
Die gesamte weitere Auslesekette, bis hin zu Teilen der Software, stammt ebenfalls wieder vom Belle-II Experiment. Diese Synergie ist nützlich, um beispielsweise auch neue Komponenten zuerst in diesem Setting zu testen, bevor sie im Belle-II SVD zum Einsatz kommen. So wurde z.b. eine Gigabit-Ethernet basierte Auslese erstmalig hier verwirklicht.
Für die Messung der Energie der Ionen nach Durchgang durch das Beam-Teleskops und das abzubildende Objekt nutzen wir ein Sampling-Kalorimeter. Dieses nutzt 42 Plastik-Szintillatoren, an welchem jeweils ein SiPM (Silizium-Photomultiplier) angeschlossen ist. Dieses Gerät, ursprünglich als PRR30 für die Tera Kollaboration entwickelt, musste von uns signifikant überarbeitet werden. So wurde sowohl die Elektronik (Mainboard, FPGA-Firmware), als auch die Auslese-Software von Labview auf Python neu implementiert.
Da sich das Projekt in einer vor-klinischen Phase befindet, testen wir das Konzept mit der Simulation und Messung von Phantomen. Das sind in der Regel speziell geformte Körper, in unserem Fall Catphan Phantome bzw. einfache Würfel mit Stufenprofil. Das Bild links zeigt ein Foto so eines Stufen-Würfels neben einem Tracker-Modul, während rechts das rekonstruierte Bild dieses Würfels zu sehen ist.
Im Rahmen dieses Projekts entstanden bis jetzt drei Disserationen, die sich mit der Optimierung des Spurdetektors, der Energiemessung und der Bildrekonstruktion beschäftigten und die teilweise von der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft FFG gefördert wurden.