[논문 리뷰] The SiFi-CC detector for beam range monitoring in proton therapy -- characterization of components and a prototype detector module

Katarzyna Rusiecka|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 19.

Radiation Detection and Scintillator TechnologiesPhysics and Astronomy인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 프로톤 치료에서 실시간 프로톤 비임계 범위 모니터링을 위한 SiFi-CC 검출기의 설계, 구성 요소 최적화 및 프로토타입 테스트를 제시한다. 무기성 빛을 내는 섬유와 실리콘 광다이오드(스피드)를 활용하여, ELA 및 ELAR 모델을 통한 빛 전파 평가를 수행하였으며, Philips DPC3200-22-44 SiPM 및 Hyperion DAQ 시스템을 사용하여 위치 해상도 33.38 mm, 에너지 해상도 7.73%를 달성하였다. 이는 임상적 범위 검증에 대한 실현 가능성을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 신규 scintillating fiber 및 SiPM 기술을 활용하여 프로톤 치료를 위한 실시간 비임계 범위 모니터링 시스템을 개발하기 위해.
• 최대한의 빛 수집 및 신호 정밀도를 확보하기 위해 스코린게이터 재료, 표면 처리(랩핑/코팅), 광학 인터페이스 재료를 최적화하기 위해.
• 다양한 광검출기 및 데이터 수집 시스템의 성능을 프로토타입 검출기 모듈에서 평가하고 비교하기 위해.
• 단일 섬유 및 프로토타입 측정 데이터를 바탕으로 ELA 및 ELAR 모델의 에너지 및 위치 재구성 정확도를 검증하고 비교하기 위해.
• 최적화된 SiFi-CC 검출기 프로토타입이 임상적 비임계 범위 검증에 필요한 해상도를 확보하고 있음을 입증하기 위해.

제안 방법

• 다양한 표면 처리(랩핑, 코팅) 및 광학 인터페이스 재료(예: RTV 실리콘, 인덱스 매칭 젤)를 적용한 무기성 빛을 내는 재료(예: LSO, LuYAP)의 체계적 비교.
• 빛 전파를 기술하고 에너지 및 위치 재구성을 가능하게 하기 위해 Exponential Light Attenuation(ELA) 및 ELA with Reflection(ELAR) 모델의 적용.
• 캘리브레이션된 감마원과 프로톤 비임계를 사용하여 에너지 해상도, 위치 해상도, 빛 수집 효율성, 시간 특성 측정.
• SiPM에 연결된 2D 배열의 scintillating fiber를 사용한 프로토타입 검출기 모듈 제작. 두 광검출기(Philips DPC3200-22-44 및 Hamamatsu MPPC)를 사용하여 테스트.
• 신호 처리 및 이벤트 재구성에 대한 Hyperion 데이터 수집 플랫폼 및 SiFiDetectorAnalysis 프레임워크의 활용.
• 단일 섬유 캘리브레이션을 바탕으로 위치 재구성에 대해 기울기 트리 부스팅 알고리즘의 적용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 프로톤 비임계 모니터링에서 빛 수집 효율성과 신호 대 잡음비를 최대화하는 데 가장 효과적인 scintillating 재료와 표면 처리 조합은 무엇인가?
• RQ2 다양한 광학 인터페이스 재료는 섬유 기반 스코린게이터 검출기에서 빛 전달성과 위치 해상도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 ELA 및 ELAR 모델이 스코린게이터 섬유에서 에너지 침착 및 상호작용 위치를 얼마나 정확하게 재구성하는가?
• RQ4 최신 SiPM 및 데이터 수집 시스템을 사용한 프로토타입 SiFi-CC 검출기 모듈에서 확보 가능한 에너지 및 위치 해상도는 어느 정도인가?
• RQ5 최적화된 SiFi-CC 검출기 프로토타입은 임상 환경에서 실시간 프로톤 비임계 범위 검증에 적합한 성능을 확보할 수 있는가?

주요 결과

• Philips DPC3200-22-44 디지털 SiPM와 Hyperion DAQ 플랫폼 조합이 가장 뛰어난 성능을 보였으며, 위치 해상도 33.38 mm를 달성하였다.
• 동일한 구성에서 에너지 해상도 7.73%를 확보하여 프로톤 범위 검증에 필요한 감도를 확보하였다.
• 섬유 경계에서의 빛 반사를 고려한 ELAR 모델이 표준 ELA 모델보다 위치 재구성 정확도가 향상되었다.
• 반사 코팅 및 최적화된 랩핑 재료와 같은 표면 처리 방법이 빛 수집 효율성을 크게 향상시켜 신호 손실을 줄였다.
• 여러 측정 캠페인 동안 프로토타입 검출기가 안정적이고 반복 가능한 성능을 보이며 일관된 해상도 지표를 유지하였다.
• 본 연구는 SiFi-CC 검출기 개념이 실시간 비임계 범위 모니터링에 실현 가능하며, 임상 적용에 필요한 기준을 충족하는 성능 지표를 확보하고 있음을 확인하였다.