[論文レビュー] Characterization of pixelated silicon detectors for daily quality assurance measurements in proton therapy

I. Schilling, Claus Maximillian Bäcker+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2022

Particle Detector Development and Performance参考文献 8被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、プロトン線治療における包括的日常品質保証に、ATLAS IBLピクセル化シリコン検出器を用いる可能性を示した。検出器は高分解能ビームプロファイリング、正確な出力定常性確認（2.6%の不確かさ）、およびプロトン線の到達範囲を確認するための新規WET比法を可能にし、測定結果とGeant4シミュレーションの間で強い一致が得られた。

ABSTRACT

The advanced imaging and delivery techniques in proton therapy allow conformal high-dose irradiation of the target volume with high accuracy using pencil beam scanning or beam shaping apertures. These irradiation methods increasingly include small radiation fields with large dose gradients, which require detector systems with high spatial resolution for quality assurance. In addition the measurement of all success parameters for daily quality assurance with only one proton field and one simple detector system would save a lot of time in clinical usage. Based on their good spatial resolution and high rate compatibility, pixelated silicon detectors could meet the new requirements. To assess their applicability in proton therapy, ATLAS pixelated silicon detectors are used to measure the lateral beam profile with high spatial resolution. Furthermore, a dose dependent detector calibration is presented to allow the measurement of the requested output constancy. A strategy to verify the proton energy during the daily quality assurance is under study. Promising results from proof-of-principle measurements at the West German Proton Therapy Centre in Essen, Germany, have been obtained.

研究の動機と目的

• 高エネルギー物理学用ピクセル検出器がプロトン線治療の日常的品質保証に適用可能かどうかを評価すること。
• 複数の検出器を1つのシステムに置き換えることで、より迅速かつ高精度なQAを実現する臨床的ニーズに対応すること。
• 出力定常性確認のための線量キャリブレーション手法の開発および検証すること。
• プロトンエネルギー／範囲の整合性確認のための新規WET比法の検討。
• すべての主要なQAパrameterが1つの検出器で測定可能であることを実証し、設定時間の短縮を図ること。

提案手法

• 250 × 50 µm²のピクセルピッチと200 µmのシリコンセンサーを備えたATLAS IBLハイブリッドピクセル検出器を用い、ビームプロファイリングを実施。
• 時間超過閾値（ToT）信号による電荷蓄積の測定を実施し、エネルギー損失の定量と線量キャリブレーションを可能にした。
• 変動するモニターユニット（MU）を用いた照射により線量キャリブレーションを実施し、センサー全体の総ヒット数を測定し、線形モデルにフィットした。
• プロトンエネルギーを調整し、範囲確認を可能にするために、厚さを変化させたセグメント化されたPMMA吸収体（5–12.5 mm）を用いた。
• プロトンエネルギーの整合性をモニタリングするためのWET比（D14 = ToT_max,region1 / ToT_max,region4）を定義した。
• 測定されたWET比（0.81 ± 0.01）とGeant4シミュレーション結果（0.80）を比較し、手法の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ピクセル化シリコン検出器は、プロトン線治療におけるビームスポット特徴の特定に、0.5 mm未満の空間分解能を達成できるか？
• RQ2 検出器の応答が、日常QAに必要な3%の許容範囲内での出力定常性確認に適しているか？
• RQ3 エネルギー依存性を持つToT測定値を用いたWET比法は、プロトン線の到達範囲の変動を信頼性高く検出できるか？
• RQ4 本検出器の測定不確かさは、従来のQA装置と比較してどの程度か？
• RQ5 1つの検出器システムが複数の専用QA検出器を置き換え可能であり、臨床的設定時間を短縮できるか？

主な発見

• 2次元ガウスフィットを用いたビームスポットサイズの測定結果はσ = (5.78 ± 0.03) mmであり、従来手法と比較して1桁高い精度を達成した。
• 出力定常性確認のための線量キャリブレーションで2.6%の不確かさを達成し、3%の許容範囲を満たした。
• WET比法による測定値はD14,measured = (0.81 ± 0.01)であったが、Geant4シミュレーション結果（D14,simulated = 0.80）とよく一致した。
• 検出器の空間分解能と高レート対応性により、正確なビーム位置およびスポットサイズの測定が可能であり、小領域および高線量勾配に適している。
• 概念実証の結果、すべての主要な日常QAパrameter（ビームプロファイル、出力定常性、範囲）が1つの検出器システムで測定可能であることが確認された。
• 本研究では、複数の検出器を1つの高性能ピクセル検出器に置き換えることで、臨床的QA手順における時間の大幅な削減が可能である可能性を示した。