University of Groningen
Real-time positron emission tomography for range verification of particle radiotherapy
Ozoemelam, Ikechi
DOI:
10.33612/diss.133158935
IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below.
Document Version
Publisher's PDF, also known as Version of record
Publication date: 2020
Link to publication in University of Groningen/UMCG research database
Citation for published version (APA):
Ozoemelam, I. (2020). Real-time positron emission tomography for range verification of particle radiotherapy. University of Groningen. https://doi.org/10.33612/diss.133158935
Copyright
Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).
Take-down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim.
Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.
145
Thesis Abstract
Owing to the superior ability to deliver the prescribed radiation dose to cancer tissue with a reduced dose to surrounding healthy tissues, there has been a sustained increase in cancer radiotherapy with charged particles, such as protons, helium and carbon ions. Achieving such superior dose delivery is, however, nontrivial as the dose distribution by charged particles is sensitive to uncertainties in range prediction, patient setup errors and changes in patient anatomy. This thesis investigates a technique to provide feedback on the particle range, based on the imaging of photons, emitted via the radioactive decay of positron emitting nuclides produced through nuclear reactions. Retrieving such feedback on a short time scale provides a trigger for corrective actions such as online treatment adaptation. Experiments on the production of short-lived positron emitters during irradiation with helium ions as reported in chapter 3 and the PET imaging of these nuclides during irradiations with helium ions (chapter 4) and protons (chapter 5) were performed. It was observed that the short-lived positron emitter nitrogen-12 (half-life = 11 ms), previously observed during irradiation with protons, is also produced during irradiation of a tissue surrogate, PMMA, with helium ions. Extrapolating the experimental results to an optimized implementation of the method, feedback on the particle range at a time-scale of about 50 ms into an irradiation with 109 protons and 4.0 × 108 helium-4
ions with a precision (1σ) of 0.5 mm and 0.9 mm is predicted. The next steps towards clinical implementation are detailed in chapter 6.
Vanwege het superieure vermogen om de voorgeschreven stralingsdosis af te geven aan kankerweefsel met een verlaagde dosis aan omliggende gezonde weefsels, is er een aanhoudende groei van radiotherapie met geladen deeltjes, zoals protonen, helium- en koolstofionen. Het realiseren van een superieure dosisafgifte is echter niet triviaal, aangezien de dosisverdeling door geladen deeltjes gevoelig is voor onzekerheden in het voorspellen van de dracht van de deeltjes, afwijkingen in de patiëntpositionering en veranderingen in de anatomie van de patiënt. Dit proefschrift onderzoekt een techniek om feedback te geven over de dracht van de deeltjes, gebaseerd op het afbeelden van fotonen uitgezonden via het radioactief verval van positron-emitterende nucliden geproduceerd door kernreacties. Dergelijke feedback op een korte tijdschaal vormt een trigger voor corrigerende maatregelen zoals online aanpassing van het behandelplan. Experimenten waarbij de productie van kortlevende positronemitters tijdens bestraling met heliumionen werd gemeten (hoofdstuk 3) en de PET-beeldvorming van deze nucliden tijdens bestraling met heliumionen (hoofdstuk 4) en protonen (hoofdstuk 5) werden uitgevoerd. Er werd waargenomen dat de kortlevende positron-emitter stikstof-12 (halfwaardetijd = 11 ms), eerder waargenomen tijdens bestraling met protonen, ook wordt geproduceerd tijdens bestraling van een weefselsurrogaat, PMMA, met heliumionen. Extrapolatie van de experimentele resultaten naar een geoptimaliseerde implementatie van de methode, geeft aan dat feedback over de dracht van de deeltjes op een tijdschaal van ongeveer 50 ms in een bestraling met 109 protonen en 4,0 × 108
helium-4-ionen mogelijk is met een precisie (1σ) van 0,5 mm en 0,9 mm. De volgende stappen naar klinische implementatie worden beschreven in hoofdstuk 6.
