Repository logo

Rozprawy doktorskie IFJ PAN (Doctoral dissertations of IFJ PAN)

Permanent URI for this collection

https://rifj.ifj.edu.pl/handle/item/3

Browse

Browsing by Author "Baran, Jakub"

  • Thumbnail Image
    Item
    Development of the Innovative Positron Emission Tomography for Beam Range Monitoring in Proton Radiotherapy
    (Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2021) Baran, Jakub; Olko, Paweł; Urbanik, Andrzej; Ruciński, Antoni; Braziewicz, Janusz; Szefliński, Zygmunt
    Radioterapia protonowa jest jedną z metod radioterapii, w której stosuje się wiązki protonów przyspieszonych do energii od 60 MeV do 250 MeV. Radioterapia protonowa pozwala uzyskać bardzo dobry rozkład przestrzenny dawki, a w konsekwencji zredukować dawki do organów krytycznych, zwiększyć w razie potrzeby dawki w targecie i zmniejszyć późne efekty uboczne leczenia. Jedną z największych wad radioterapii protonowej jest niepewność zasięgu protonów w czasie napromieniania pacjenta. Niepewności te mogą prowadzić do znaczącego obniżenia dawki w objętości tarczowej lub jej zawyżenia dla organów krytycznych. W literaturze znanych jest kilka metod mających na celu zredukowanie tego efektu poprzez monitorowanie faktycznego zasięgu wiązki protonowej podczas radioterapii. Jedna z metod wykorzystuje β+ promieniotwórcze radioizotopy, powstające w wyniku oddziaływania protonów z tkanką, których rozpad może być zmierzony przy użyciu skanera pozytonowej tomografii emisyjnej (PET). Celem pracy było zbadanie możliwości wykorzystania systemu PET rozwijanego na Uniwersytecie Jagiellońskim, wykorzystującego nowatorskie detektory zbudowane w oparciu o scyntylatory plastikowe do monitorowania zasięgu terapeutycznej wiązki protonowej. W ramach pracy przygotowano sześć konfiguracji skanera PET na bazie 24, 48 oraz 72 modułów J-PET w formie skanerów cylindrycznych oraz dwugłowicowych. Opracowano metodę badań uwzględniającą obliczenia Monte Carlo z użyciem oprogramowania GATE oraz rekonstrukcję danych PET z użyciem oprogramowania CASToR. Dla każdej konfiguracji geometrycznej skanera wyznaczono współczynnik wydajności η. Ostatnia część pracy polegała na oszacowaniu niepewności wyznaczenia zasięgu oraz optymalizacji parametrów rekonstrukcji: liczby iteracji algorytmu Maximum Likelihood Estimation-Maximization (MLEM) oraz filtru wygładzania. Metodologia rekonstrukcji danych PET została zwalidowana z użyciem fantomu wodnego wypełnionego jednorodną aktywnością radioizotopu β+. Symulacje Monte Carlo wariancji zasięgu aktywności PET w fantomie PMMA pokazały dokładność oceny zasięgu pojedynczej ołówkowej wiązki protonowej na poziomie 0.82-1.25 mm. Stwierdzono, że kompromisem pomiędzy jakością obrazu PET, dokładnością oszacowania zasięgu oraz technologiczną możliwością zintegrowania skanera w pokoju leczenia jest dwuwarstwowy układ dwugłowicowy. Przeprowadzone symulacje oraz rekonstrukcja danych PET z użyciem zanonimizowanych danych pacjenta leczonego w Centrum Cyklotronowym Bronowice, pokazały możliwość rekonstrukcji mapy aktywności PET w sytuacji klinicznej. W celu znalezienia optymalnego filtru wygładzania tej mapy obliczono współczynnik korelacji Pearson’a pomiędzy zrekonstruowaną a symulowaną mapą aktywności. Analiza wykazała, że optymalnym filtrem jest filtr Gaussowski z jądrem 1x1x1. Technologia J-PET jest technologią tańszą, lżejszą, wykazującą się większym polem widzenia oraz z mniejszą ilością elektroniki, w porównaniu do standardowych systemów PET, co czyni ją obiecującą techniką do zastosowania do pomiaru zasięgu w hadronoterapii.