Simulation and reconstruction from Compton camera for hadrontherapy : influence of the acquisition parameters
Description
Hadrontherapy is a cancer treatment method which uses ions (proton or carbon) instead of X-rays. Interactions between the beam and the patient produce secondary radiation. It has been shown that there is a correlation between the emission position of some of these particles and the Bragg peak position. Among these particles, prompt- are produced by excited nuclear fragments and current work aims to design SPECT systems able to image the emission position the radiation in real time, with a millimetric precision, despite the low data statistic. Although it is not currently possible, the goal is to monitor the deposited dose. The Compton camera is a SPECT system that proposed for imaging such particles, because it offers a good energy resolution and the possibility of a 3D imaging. However, in practice the acquisition is affected by noise from other secondary particles and the reconstruction algorithms are more complex and not totally completed, but the developments are well advanced. In this thesis, we developed a complete process from the simulation of irradiation of a phantom by a proton beam up to the tomographic reconstruction of images obtained from data acquired by the Compton camera. We studied different reconstruction methods (analytical and iterative), and we have developed an iterative method able to consider the measurement uncertainties on energy. Finally we developed methods to detect the end-of-range of the reconstructed prompt-γ distributions. (author)
Abstract (French)
L'hadrontherapie est une methode de traitement du cancer qui emploie des ions (carbone ou proton) au lieu des rayons X. Les interactions entre le faisceau et le patient produisent des radiations secondaires. Il existe une correlation entre la position d'emission de certaines de ces particules et la position du pic de Bragg. Parmi ces particules, des γ-prompt sont produits par les fragments nucleaires excites et des travaux actuels ont pour but de concevoir des systemes de tomographie par emission monophotonique (TEMP) capable d'imager la position d'emission de ces radiations en temps reel, avec une precision millimetrique, malgre le faible nombre de donnees disponibles. Bien que ce ne soit pas actuellement possible, le but in fine est de surveiller le depot de dose. La camera Compton est un des systeme TEMP qui a ete propose pour imager ce type de particules, car elle offre une meilleure resolution energetique et la possibilite d'avoir une image 3D. Cependant, en pratique l'acquisition est affectee par le bruit provenant d'autres particules secondaires, et les algorithmes de reconstruction des images Compton sont plus compliques et encore peu aboutis, mais sur une bonne voie de developpement. Dans le cadre de cette these, nous avons developpe une chaine complete allant de la simulation de l'irradiation d'un fantome par un faisceau de protons allant jusqu'a la reconstruction tomographique des images obtenues a partir de donnees acquises par la camera Compton. Nous avons etudie differentes methodes de reconstruction analytiques et iteratives, et nous avons developpe une methode de reconstruction iterative capable de prendre en compte les incertitudes de mesure sur l'energie. Enfin nous avons developpe des methodes pour la detection de la fin du parcours des distributions -prompt reconstruites. Nous avons utilise trois types de fantomes. Le fantome homogene compose d'eau a permis de determiner les fenetre d'energies optimales pour obtenir une qualite d'image correcte et de mesurer le parcours -prompt. Puis nous avons simule un fantome bi-materiaux comportant des inserts d'air et/ou d'os pour mettre en evidence l'influence des heterogeneites sur la reconstruction des images et sur la detection du parcours γ-prompt. Enfin, avec le fantome de patient dont nous avons simule l'irradiation, nous avons montre l'influence de l'attenuation sur les images et les profils reconstruits, qui s'avere non negligeable. Dans la majorite des cas, selectionner des photons dans une fenetre d'energie ameliore les resultats que nous avons obtenus. Nous avons calcule les parcours γ-prompt a partir de profils extraits des images reconstruites. Idealement, nous avons observe moins de 3 mm de decalage entre les parcours des profils reconstruits et simules. Nous avons induit des decalages sur la fin du parcours en reglant l'energie du faisceau. Ces variations ont ete estimees avec une erreur theorique inferieure a 2 mm. (auteur)
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Additional titles
- Original title (French)
- Simulation et reconstruction 3D a partir de camera Compton pour l'hadrontherapie : influence des parametres d'acquisition
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 171 p.
- Report number
- FRNC-TH--12792
INIS
- Country of Publication
- France
- Country of Input or Organization
- France
- INIS RN
- 53052012
- Subject category
- S62: RADIOLOGY AND NUCLEAR MEDICINE;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- ALGORITHMS; ATTENUATION; CAMERAS; COMPTON DIODE DETECTORS; DOSE RATES; ENERGY RESOLUTION; IMAGE PROCESSING; ION BEAM THERAPY; ITERATIVE METHODS; PHANTOMS; PHOTON COMPUTED TOMOGRAPHY; PROMPT GAMMA RADIATION; PROTON BEAMS; SPATIAL RESOLUTION
- Descriptors DEC
- BEAMS; CALCULATION METHODS; COMPUTERIZED TOMOGRAPHY; DIAGNOSTIC TECHNIQUES; ELECTROMAGNETIC RADIATION; EXTERNAL BEAM RADIATION THERAPY; GAMMA RADIATION; IONIZING RADIATIONS; MATHEMATICAL LOGIC; MEASURING INSTRUMENTS; MEDICINE; MOCKUP; NUCLEAR MEDICINE; NUCLEON BEAMS; PARTICLE BEAMS; PROCESSING; RADIATION DETECTORS; RADIATIONS; RADIOLOGY; RADIOTHERAPY; RESOLUTION; STRUCTURAL MODELS; THERAPY; TOMOGRAPHY
Optional Information
- Notes
- [160 refs.]; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses