Ionenbildgebung mit neuen ultra-schnellen Siliziumdetektoren

Neben der Chemotherapie und Chirurgie ist die Strahlentherapie ein Hauptpfeiler der Krebstherapie. Die Bestrahlung erfolgt entweder mit Photonen, Elektronen oder Ionen, die durch hohe Energieabgabe die Tumorzellen abtöten. In den letzten Jahren hat sich die Ionentherapie,trotz hohem technischen Aufwand, bei einigen Tumorarten etabliert. Wie bei allen Bestrahlungsarten, erfordert die Ionentherapie einen Behandlungsplan, der auf einer genauen Schätzung des Gewebes basiert, das die verwendeten Ionen durchqueren müssen, um den Tumor zu erreichen. Dieser Plan basiert derzeit auf der Röntgen-Computertomographie (CT), obwohl die Behandlung mit Ionen durchgeführt wird, die grundsätzlich anderen Wechselwirkungen als Röntgenstrahlen unterliegen. Die Ionen-Computertomographie (iCT) ist ein neues Bildgebungsverfahren, das die Behandlungsplanung in der Ionentherapie verbessern soll. Sie verwendet beschleunigte Ionenstrahlen die durch den Patienten durchgeschossen werden, um die Gewebeeigenschaften auf ihrem Weg zum Tumor zu bestimmen. Im Gegensatz zur herkömmlichen CT könnte iCT genauere Gewebeschätzungen liefern und gleichzeitig eine geringere Strahlendosis durch die Bildgebung verursachen. In den letzten Jahren wurden viele vielversprechende iCT-Systeme entwickelt, die die Gewebeeigenschaften bestimmen, indem der Energieverlust und der Teilchenpfad der Ionen mithilfe eines Trackingsystems und eines separaten Energiedetektors gemessen wird. Dennoch ist die iCT noch weit von einer klinischen Implementierung entfernt, hauptsächlich aufgrund Limitierungen der aktuellen Detektordesigns, insbesondere wegen der begrenzten Messrate der zugrunde liegenden Detektortechnologien. Dieses Projekt versucht diese Probleme zu adressieren, indem eine neues iCT Verfahren basierend auf Zeitmessungen (TOF) für die Energiebestimmung mit neuen ultra-schnellen Siliziumdetektoren untersucht wird. Diese TOF-Messungen können in den Bildgebungsprozess selbst integriert werden, wodurch ein kompakteres und kostengünstigeres Design ermöglicht wird, da dieselbe Technologie sowohl für das Tracking als auch für die Energiebestimmung verwendet werden kann. Dafür werden zwei verschiedene Ansätze untersucht: iCT mit einem TOF-basierten Energiedetektor stromabwärts des Patienten und ein völlig neuer Ansatz, die sogenannte Sandwich-TOF-iCT- Methode. Im Gegenzug zum ersten Design erfordert das letztere keinen extra Detektor für die Energiebestimmung, da diese indirekt durch Messung der TOF durch den Patienten bestimmt wird. Diese Arbeit wird die erste detaillierte experimentelle Studie beider TOF-iCT Verfahren sein, indem ein kleiner Demonstrator am GSI in Deutschland entwickelt wird und damit erste Proof-of-Principle Messungen im Forschungs- und Therapiezentrum MedAustron in Österreich durchgeführt werden. Da für diese Verfahren keine experimentellen Daten existieren, werden die erzielten Ergebnisse als wichtiger erster Schritt dienen, um iCT weiter in Richtung klinische Implementierung zu bringen.