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Título: Investigation of Cherenkov emission with applications in dosimetry, image guidance and intensity modulation in radiation therapy
Autores: Zlateva, Yana
Fecha: 2014
Publicador: McGill University - MCGILL
Fuente:
Tipo: Electronic Thesis or Dissertation
Tema: Physics - Radiation
Descripción: The aims of this work are to validate the potential application of Cherenkov emission (CE) in radiotherapy dosimetry, online imaging and beam modulation by analysis of its correlation with radiation dose and by a spectral shift to the near-infrared (NIR) window of biological tissue in order to maximize its detection. This work makes an original contribution to scientific knowledge by effectively correlating radiation dose and CE in two dimensions, using an optical fiber and grating spectrometer, without need for a computer-generated spatially variant conversion factor or a fluorescent dye, and by successfully shifting CE to the NIR in a tissue-simulating phantom with the use of quantum dots (QDs).Radiation dose was correlated with CE via both computer simulation and experimental measurements using clinical 6-18 MeV electron beams. A Monte Carlo (MC) CE simulator was designed using the Geant4 simulation toolkit. In order to maximize the signal, beam incidence angle was optimized through simulation and experiment and the feasibility of two-fiber detection was assessed. Phantoms used in the experiments were a water tank and a tissue-simulating phantom composed of water, Intralipid® and beef blood. The optical detection system consisted of a multi-mode step-index fiber optic cable (numerical aperture = 0.22 for dose versus Cherenkov studies), positioned out of the beam and connected to a single-channel diffraction grating spectrometer incorporating a front- or back-illuminated charge-coupled device (CCD). A cylindrical ionization chamber was used for dose measurements. CdSe/ZnS core-shell QDs, emitting at (650 ± 10) nm, were used to achieve a NIR shift of the CE signal.A preliminary software analysis indicated a strong correlation between radiation dose and CE with a Pearson correlation coefficient larger than 0.99. A beam incidence angle of 50° relative to the surface normal produced a CE maximum along the horizontal fiber. An angle of 47° (corresponding to more than 80% of the maximum signal) was adopted in order to maximize the scan depth by avoiding beam perturbation due to setup components and fiber protrusion into the field. Dose versus CE correlation was investigated via water phantom ion chamber scans along the beam central axis and optical fiber scans with the fiber tip positioned at the field edge. With all data sets normalized to 1, the effective point of measurement of the optical system for 18, 12 and 6 MeV clinical electron beams was found to be at depths of approximately 1.7, 0.8, and 0.1 cm, respectively, downstream from the fiber axis, with a Pearson correlation coefficient for all (simulated and experimental) data larger than 0.99. CE by an 18 MeV electron beam was successfully shifted towards 650 nm in water and in a tissue-simulating phantom. Smaller field sizes and larger QD depths resulted in a lower signal, though a shift was still apparent for a 1 cm depth of the QDs. Statistical data analysis indicated no noise bias and that radiation might have impacted the spectrometer electronics.The results of this work validate the potential for application of CE in radiotherapy dosimetry, online imaging and intensity modulation based on tumor microenvironment information, such as oxygenation, since CE is intrinsic to the beam, non-ionizing and can be detected outside the beam, and the QDs used for the experiments are photostable, tunable, and can be modified to incorporate molecular reporters. Future work involves the use of a multi-channel spectrometer for simultaneous collection of main, reference and background signals, incorporation of a lens or a single-mode fiber to reduce the sensitive volume, as well as development of better spectral data extraction techniques. It is expected that the proposed technique will be applicable to 3D dose mapping by means of diffuse optical tomography, online CE imaging and localization during radiotherapy, and beam modulation based on tumor microenvironment information.
Les objectifs de cette étude sont de valider la potentielle application de l'émission Cherenkov (EC) pour la dosimétrie en radiothérapie, pour l'imagerie en temps réel et pour la modulation des faisceaux par l'analyse de sa corrélation avec la dose de rayonnement et par un décalage spectral vers la fenêtre infrarouge proche (FIP) des tissus biologiques afin de maximiser sa détection. Ce travail apporte une contribution originale aux travaux antérieurs en corrélant efficacement, d'une part, la dose de rayonnement et l'EC en 2 dimensions à l'aide d'une fibre optique et d'un spectromètre à réseau, et ce, sans l'aide d'un facteur de conversion variant spatialement et généré par ordinateur ou d'un colorant fluorescent, et d'autre part, en effectuant avec succès le déplacement de l'EC à la FIP dans un fantôme simulant les tissus biologiques grâce à l'utilisation de points quantiques (PQs).La dose de rayonnement a été corrélée avec l'EC à la fois par simulation informatique et par mesures expérimentales. Un simulateur Monte Carlo (MC) de l'EC a été conçu en utilisant la plateforme de simulation Geant4. Les fantômes utilisés dans les expériences consistaient d'un réservoir d'eau et d'un fantôme simulant les tissus biologiques composés d'eau, d'Intralipid® et de sang de boeuf. Le système de détection optique est composé d'un câble de fibre optique multi-mode à saut d'indice, placé hors du faisceau d'électron et relié à un spectromètre à réseau de diffraction à canal unique comprenant un dispositif à couplage de charge éclairé par l'avant ou l'arrière. Des points quantiques CdSe/ZnS, émettant à (650 ± 10) nm, ont été utilisés afin de réaliser un décalage de l'EC vers la FIP.Une analyse préliminaire a indiqué une forte corrélation entre la dose de rayonnement et de l'EC avec un coefficient de corrélation de Pearson supérieur à 0.99. La corrélation de la dose en fonction de l'EC a été étudiée via des scans de la chambre d'ionisation dans le fantôme d'eau le long de l'axe central du faisceau ainsi que par des scans de fibre optique avec la pointe de la fibre positionnée sur le bord du champ du faisceau. Après normalisation, le point effectif de mesure du système optique des faisceaux d'électrons cliniques de 18, 12 et 6 MeV, s'est révélé être situé à des profondeurs respectives de 1.7 cm, 0.8 cm et 0.1 cm, et ce, en aval de l'axe de la fibre, avec un coefficient de corrélation Pearson pour toutes les données de plus de 0.99. La fenêtre d'EC d'un faisceau d'électrons de 18 MeV a été décalée avec succès vers 650 nm dans le réservoir d'eau, confirmant sa capacité à stimuler la photoluminescence de CdSe/ZnS, et dans le fantôme simulant les tissus biologiques. La diminution de la taille des champs ainsi que l'augmentation de la profondeur des PQs ont eu pour effet de diminuer le signal, quoiqu'un décalage du signal était encore apparent à 1 cm de profondeur. L'analyse statistique des données nous a confirmé que le bruit n'a pas d'impact significatif sur le signal, mais que le rayonnement peut avoir un impact sur les composantes électroniques du spectromètre.Les résultats de ce travail confirment le potentiel d'application de l'EC pour la dosimétrie en radiothérapie, pour l'imagerie en temps réel et pour la modulation d'intensité des faisceaux en fonction des informations relatives au microenvironnement des tumeurs, comme l'oxygénation. En effet, l'EC est intrinsèque au faisceau d'électrons, est non-ionisante et peut être détectée en dehors du faisceau. De plus, les PQs utilisés dans nos expériences sont photostables et peuvent être modifiés afin d'intégrer des molécules pouvant nous informer sur la microbiologie des tumeurs. Il est prévu que la technique proposée sera applicable à la cartographie de dose en 3D au moyen de la tomographie optique diffuse, à l'imagerie par EC en temps réel et la localisation spatiale durant la radiothérapie, ainsi qu'à la modulation du faisceau en fonction du microenvironnement de la tumeur.
Idioma: en