The Bergen proton CT system

Max, Aehle,; Alme, J.; Barnaföldi, G. G.; Bodova, Tea; Borshchov, V. I.; Brink, A. van den; Chaar, Mamdouh; Eikeland, Viljar Nilsen; Феофилов, Г.; Garth, Christoph; Gauger, Nicolas R.; Genov, Georgi; Grøttvik, Ola Slettevoll; Helstrup, H.; Igolkin, S. N.; Kobdaj, C.; Kortus, Tobias; Leonhardt, Viktor; Mehendale, Shruti; Mulawade, Raju Ningappa; Odland, O.H.; O’Neill, G.; Papp, Gábor; Peitzmann, T.; Pettersen, Helge Egil Seime; Piersimoni, Pierluigi; Protsenko, Maksym; Rauch, M.; Rehman, A.; Richter, Matthias; Röhrich, D.; Santana, Joshua; Schilling, Alexander; Seco, Joao; Songmoolnak, A.; Sølie, Jarle Rambo; Tambave, Ganesh Jagannath; Tymchuk, I.; Ullaland, K.; Varga-Kőfaragó, M.; Volz, Lennart; Wagner, B.; Wendzel, Steffen; Wiebel, Alexander; Xiao, RenZheng; Yokoyama, H.; Zillien, Sebastian

doi:10.1088/1748-0221/18/02/c02051

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“…As a particle traverses the detector, it deposits energy in the sensitive layer, generating a 3D digital hit map along its path. The final prototype has a measuring area of 27 cm × 16.6 cm, which is adequate for imaging the human head [47].…”

Section: Silicon Pixel Detectormentioning

confidence: 99%

Advances in nuclear detection and readout techniques

He,

Niu,

Wang

et al. 2023

NUCL SCI TECH

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Abstract“A Craftsman Must Sharpen His Tools to Do His Job,” said Confucius. Nuclear detection and readout techniques are the foundation of particle physics, nuclear physics, and particle astrophysics to reveal the nature of the universe. Also, they are being increasingly used in other disciplines like nuclear power generation, life sciences, environmental sciences, medical sciences, etc. The article reviews the short history, recent development, and trend of nuclear detection and readout techniques, covering Semiconductor Detector, Gaseous Detector, Scintillation Detector, Cherenkov Detector, Transition Radiation Detector, and Readout Techniques. By explaining the principle and using examples, we hope to help the interested reader underst and this research field and bring exciting information to the community.

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Section: Silicon Pixel Detectormentioning

confidence: 99%

Advances in nuclear detection and readout techniques

He,

Niu,

Wang

et al. 2023

NUCL SCI TECH

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“…Darüber hinaus zeigt die Vielfalt der Projekte mit ähnlichen Ansätzen, dass das Ziel der Ionenradiographie lohnenswert ist (z.B. PRaVDA [17], Bergen pCT [18] oder US pCT [19]). Allerdings haben sich die meisten dieser Alternativen bisher auf Proton-Bildgebung spezialisiert, wofür auch das "pCT", also Protonen Computertomographie, steht.…”

Section: Anwendung Eines Profilmonitors In Der Ionenradiographieunclassified

Entwicklung eines Profilmonitors auf Szintillationsfaser-Basis für Ionenstrahlen niedriger Intensität am Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum

Hermann

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Das Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum (HIT) stellt Protonen-, Helium- und Kohlenstoff-Ionenstrahlen unterschiedlicher Energie und Intensität für die Krebsbehandlung und Sauerstoff-Ionenstrahlen für Experimente zur Verfügung. Der hierfür verwendete Beschleuniger ist darüber hinaus in der Lage auch Ionenstrahlintensitäten unterhalb der für Therapien verwendeten bereitzustellen. Allerdings ist das derzeit installierte Strahldiagnosesystems nicht in der Lage, das Strahlprofil bei solchen geringen Intensitäten (< 10^5 Ionen/s) zu messen. Dabei existieren mögliche medizinische Anwendung für diese niederintensiven Ionen-strahlen, wie beispielsweise eine neuartige und potentiell klinisch vorteilhafte Bildgebung: die Ionenradiographie. Eine essentielle Voraussetzung für diese und andere Anwendungen ist ein System zur Überwachung von Ionenstrahlen niedriger Intensität. Ein solches System wurde im Rahmen dieser Arbeit konzipiert, realisiert, getestet und optimiert. Das Funktionsprinzip basiert auf szintillierenden Fasern, insbesondere solchen mit erhöhter Strahlungshärte für die Möglichkeit einer dauerhaften Platzierung im Therapiestrahl. Ein diese Fasern durchlaufendes Ion regt den darin enthaltenen Szintillator durch Stoßprozesse kurzzeitig an. Die dabei deponierte Energie wird anschließend in Form von Photonen wieder emittiert. Silizium-Photomultiplier sind an den Enden der Fasern montiert und wandeln die Photonensignale in verstärkte elektrische Impulse um. Diese Impulse werden von einer neuartigen und dedizierten Ausleseelektronik aufgezeichnet und verarbeitet. Ein Prototypaufbau, bestehend aus den genannten Teilen, wurde im Strahl getestet und kann das transversale Strahlprofil erfolgreich im Intensitätsbereich von 10^7 Ionen/s bis hinunter zu 10^2 Ionen/s aufzeichnen. Darüber hinaus konnte, durch die erfolgreiche Ankunftszeitmessung von einzelnen Ionen bis zu Intensitäten von 5*10^4 Ionen/s, ein Machbarkeitsnachweis für die Messung der Spur von einzelnen Teilchen erbracht werden.

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First test beam of the DMAPS-based proton tracker at the pMBRT facility at the Curie Institute

Granado-González,

Price,

Gonella

et al. 2024

Phys. Med. Biol.

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\textbf{Objective.} Proton radiotherapy's efficacy relies on an accurate Relative Stopping Power (RSP) map of the patient to optimise the treatment plan and minimize uncertainties. Currently, a conversion of a Hounsfield Units (HU) map obtained by a common X-ray Computed Tomography (CT) is used to compute the RSP. This conversion is one of the main limiting factors for proton radiotherapy. To bypass this conversion a direct RSP map could be obtained by performing a proton CT (pCT). The focal point of this article is to present a proof of concept of the potential of fast pixel technologies for proton tracking at clinical facilities.\textbf{Approach.} A two-layer tracker based on the TJ-Monopix1, a Depleted Monolithic Active Pixel Sensor (DMAPS) chip initially designed for the ATLAS, was tested at the proton MiniBeam RadioTherapy (pMBRT) beamline at the Curie Institute. The chips were subjected to 100 MeV protons passing through the single slit collimator (0.4$\times$20 mm$^2$) with fluxes up to $1.3 \times 10^7$ p/s/cm$^2$. The performance of the proton tracker was evaluated with GEANT4 simulations.\textbf{Main Results:} The beam profile and dispersion in air were characterized by an opening of 0.031~mm/cm, and a $\sigma_x=0.172$~mm at the position of the slit. The results of the proton tracking show how the TJ-Monopix1 chip can effectively track protons in a clinical environment, achieving a tracking purity close to~70~$\%$, and a position resolution below 0.5 mm; confirming the chip's ability to handle high proton fluxes with a competitive performance.\textbf{Significance:} This work suggests that DMAPS technologies can be a cost-effective alternative for proton imaging. Additionally, the study identifies areas where further optimization of chip design is required to fully leverage these technologies for clinical ion imaging applications.

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The Bergen proton CT system

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Entwicklung eines Profilmonitors auf Szintillationsfaser-Basis für Ionenstrahlen niedriger Intensität am Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum

First test beam of the DMAPS-based proton tracker at the pMBRT facility at the Curie Institute

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