[論文レビュー] The SiFi-CC detector for beam range monitoring in proton therapy -- characterization of components and a prototype detector module

Katarzyna Rusiecka|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2023

Radiation Detection and Scintillator TechnologiesPhysics and Astronomy被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、プロトン治療におけるリアルタイムプロトンビーム範囲モニタリングを目的としたSiFi-CC検出器の設計、部品最適化、およびプロトタイプ試験を提示する。無機性シンチレーティングファイバーとシリコンフォトマルチプライヤー（SiPM）を用い、ELAおよびELARモデルを用いて光伝播を評価した結果、フィリップスのDPC3200-22-44 SiPMとハイパーストーンDAQシステムを組み合わせることで、位置分解能33.38 mm、エネルギー分解能7.73%を達成した。これは臨床的範囲検証に実現可能であることを示している。

ABSTRACT

The following thesis presents research which constitutes the first steps towards the construction of a novel SiFi-CC detector intended for real-time monitoring of proton therapy. The detector construction will be based on inorganic scintillating fibers and silicon photomultipliers. The scope of the presented thesis includes the design optimization of the components of the proposed detector, as well as the construction, characterization, and tests of a prototype. The design optimization comprised an extensive systematic comparison of chosen inorganic scintillating materials, different types of scintillator surface modifications (wrappings and coatings), and different types of interface materials ensuring optical contact between the scintillators and the photodetector. The propagation of scintillating light in all investigated samples was described using two models: the exponential light attenuation model (ELA), and the exponential light attenuation model with light reflection (ELAR). The two models yielded the corresponding methods for energy and position reconstruction. Furthermore, the samples were investigated for energy and position resolution, light collection, and timing properties. Based on the results obtained from the optimization study, the detector prototype was constructed. Prototype tests were performed with two different photodetectors and data acquisition systems. The performance of the prototype was evaluated using the same metrics as in the case of single-fiber measurements. The best results were obtained in measurements with Philips Digital Photon Counting photosensor and the Hyperion platform, yielding a position resolution of 33.38 mm and an energy resolution of 7.73 %. The results obtained are satisfactory and sufficient for the successful operation of the proposed SiFi-CC detector.

研究の動機と目的

• 新規のシンチレーティングファイバーおよびSiPM技術を用いて、プロトン治療におけるリアルタイムビーム範囲モニタリングシステムを開発すること。
• 最大の光収率と信号忠実度を達成するため、シンチレーター材料、表面処理（ラッピング／コーティング）、光学界面材料の最適化を行うこと。
• 異なるフォトデテクタおよびデータ取得システムの性能を、プロトタイプ検出器モジュール上で評価・比較すること。
• 単一ファイバーおよびプロトタイプ測定からの実験データを用いて、ELAおよびELARモデルのエネルギーおよび位置再構築への適用を検証・比較すること。
• 最適化されたSiFi-CC検出器プロトタイプが、臨床的ビーム範囲検証に十分な分解能を達成できることを実証すること。

提案手法

• リムーブド・シナプス・マテリアル（例：LSO、LuYAP）を用いた、表面処理（ラッピング、コーティング）および光学界面材料（例：RTVシリコーン、インデックスマッチングゲル）の系統的比較。
• 光伝播を記述し、エネルギーおよび位置再構築を可能にするために、指数関数的光減衰（ELA）および反射を考慮したELA（ELAR）モデルの適用。
• 校正済みガンマ線源およびプロトンビームを用いた、エネルギー分解能、位置分解能、光収率、時間特性の測定。
• 2次元配列のシンチレーティングファイバーをSiPMに接続したプロトタイプ検出器モジュールの構築。2種類のフォトデテクタ（フィリップスDPC3200-22-44およびハマムツ・MPPC）を用いて試験。
• 信号処理およびイベント再構築に、ハイパーストーンデータ取得プラットフォームおよびSiFiDetectorAnalysisフレームワークの使用。
• 単一ファイバーのキャリブレーションに基づいた勾配木ブースティングアルゴリズムを用いて、プロトタイプデータにおける位置再構築を実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのシンチレーティングマテリアルと表面処理の組み合わせが、プロトンビームモニタリングにおいて最大の光収率と信号対雑音比を実現するか？
• RQ2 異なる光学界面材料は、ファイバー型シンチレーター検出器における光透過性および位置分解能にどのように影響を与えるか？
• RQ3 ELAおよびELARモデルは、シンチレーティングファイバー内でのエネルギー付加および相互作用位置の再構築において、どの程度正確に実現できるか？
• RQ4 最新のSiPMおよびデータ取得システムを用いたプロトタイプSiFi-CC検出器モジュールで、達成可能なエネルギー分解能および位置分解能は何か？
• RQ5 最適化されたSiFi-CC検出器プロトタイプは、臨床現場におけるリアルタイムプロトンビーム範囲検証に適した分解能性能を達成できるか？

主な発見

• フィリップスのDPC3200-22-44デジタルSiPMとハイパーストーンDAQプラットフォームの組み合わせが最良の性能を示し、位置分解能33.38 mmを達成した。
• 同じ構成でエネルギー分解能7.73%を達成した。これはプロトン範囲検証に十分な感度を示している。
• ファイバー境界での光反射を考慮したELARモデルは、標準的なELAモデルに比べ、位置再構築の精度が向上した。
• 反射コーティングや最適化されたラッピング材などの表面処理は、光収率を顕著に向上させ、信号損失を低減した。
• 複数回の測定キャンペーンにわたり、プロトタイプ検出器は安定的かつ再現性のある性能を示し、一貫した分解能指標を維持した。
• 本研究は、SiFi-CC検出器の概念がリアルタイムビーム範囲モニタリングに実現可能であることを確認した。性能指標は、臨床応用の基準を満たしている。