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Contents

ABSTRACT 22

CHAPTER I. INTRODUCTION 24

1.1. Beam Range Uncertainty in Proton Therapy 24

1.2. State-of-the-Art Methodology for Proton Beam Monitoring 29

1.2.1. Positron Emission Tomography Imaging 29

1.2.2. Prompt Gamma Imaging 30

1.2.3. Other Methods 36

1.3. Gamma Electron Vertex Imaging 38

1.4. Objectives and Scopes of This Study 41

CHAPTER II. DEVELOPMENT OF SIGNAL PROCESSING SYSTEM FOR COMPONENT DETCTOR 43

2.1. Component Detectors 44

2.1.1. Hodoscope: Double-sided Silicon Strip Detector 44

2.1.2. Calorimeter: EJ-200 Plastic Scintillation Detector 46

2.2. Signal Processing System 48

2.2.1. Signal Processing System: DSSD 48

2.2.2. Signal Processing System: Plastic Scintillation Detector 63

2.3. Detector Characterization 65

2.3.1. Energy Resolution of DSSD 65

2.3.2. Noise (Vrms) of DSSD(이미지참조) 72

2.3.3. Energy Calibration using Compton Edges for Plastic Scintillation Detector 78

2.3.4. Timing Resolution of Plastic Scintillation Detector 85

2.3.5. Timing Resolution of DSSD 88

2.4. P-/N-side Coincidence Measurement for Noise Reduction 92

CHAPTER III. PROOF-OF-PRINCIPLE OF GAMMA ELECTRON VERTEX IMAGING 96

3.1. Proof-of-Principe System for GEVI Method 97

3.1.1. Configuration of Imaging System 97

3.1.2. Coincidence System 100

3.1.3. Data Acquisition System and Image Reconstruction Program 102

3.1.4. Performance Estimation 106

3.2. 2D Imaging Measurements: Low Energy Gamma Source 111

3.3. 2D Imaging Measurements: High Energy Gamma Source 117

3.4. 2D Prompt Gamma Image Measurements for 45 MeV Proton Beam 122

3.5. 2D Prompt Gamma Measurements for Therapeutic Proton Beams 128

CHAPTER IV. DEVELOPMENT OF PROTOTYPE GAMMA ELECTRON VERTEX IMAGING (GEVI) SYSTEM 133

4.1. Field-of-view Extension of Imaging System 134

4.1.1. Configuration of DSSD Array 134

4.1.2. Configuration of Plastic Detector 136

4.1.3. Detector Characterization: Energy Resolution and Noise of DSSD 141

4.1.4. Detector Characterization: Energy Calibration of Plastic Detector 142

4.2. FPGA-based Fast DAQ System 144

4.2.1. Specification 144

4.2.2. Peak Detection Algorithm 147

4.2.3. Performance Test 150

4.3. Baseline Restorer 152

4.4. Coincidence System 157

4.5. Real-time Image Reconstruction Program 159

4.6. Mechanical Structure 161

CHAPTER V. IMAGING EXPERIMENTS FOR THERAPEUTIC PROTON BEAMS 163

5.1. Methodology for Determination of Distal Falloff Position 164

5.2. Prompt Gamma Measurement for Therapeutic Proton Beams 166

5.3. Consistency Study between Falloff Position and Beam Range 176

5.4. Imaging Experiments for variation of Incident Beam Position 182

CHAPTER VI. CONCLUSIONS AND FUTURE WORK 190

6.1. Summary and Conclusions 190

6.2. Suggestions for Future Work 194

REFERENCES 196

국문요지 200

Table 2.1. The Vrms values of the first DSSD (thickness: 145 ㎛)(이미지참조) 76

Table 2.2. The Vrms values of the second DSSD (thickness: 300 ㎛)(이미지참조) 77

Table 4.1. The geometric efficiency of the imaging system... 138

Table 5.1. The imaging sensitivity, the 50% distal falloff position, and its... 172

Table 5.2. The 50% distal falloff position and its uncertaingy of the prompt... 180

Table 5.3. The imaging sensitivity, the 50% distal falloff position, and its... 189

Fig. 1.1. Typical depth dose curve of mono-energetic proton beam... 26

Fig. 1.2. Variation in dose distribution of spread-out Bragg peak due to the beam... 27

Fig. 1.3. Typically applied range uncertainty margins to the prescribed range in... 28

Fig. 1.4. Relative production of the prompt gamma-ray as a function of proton... 33

Fig. 1.5. Energy spectrum of prompt gamma-rays generated by the proton... 34

Fig. 1.6. Cross sections of proton nuclear interactions with 16O (upper) and ¹²C (lower)...(이미지참조) 35

Fig. 1.7. The principle of the gamma electron vertex imaging (GEVI) for high... 40

Fig. 2.1. The double-sided silicon strip detector (DSSD) for tracking the... 45

Fig. 2.2. The EJ-200 plastic scintillation detector to determine the energy of the... 47

Fig. 2.3. The block diagram of the 16 channel signal processing system for one... 53

Fig. 2.4. The circuit diagram (a), the layout design (b), and the constructed PCB... 54

Fig. 2.5. The output signals (blue lines) from the shaping amplifier module with... 55

Fig. 2.6. Energy spectra of 137Cs (662 keV gamma-ray) source measured with the...(이미지참조) 56

Fig. 2.7. The block diagram of the multiplexing system to reduce the data... 57

Fig. 2.8. The circuit diagram (left) and the layout design (right) of the... 58

Fig. 2.9. The multiplexing system developed in the present study... 59

Fig. 2.10. Energy spectra of 137Cs (32 and 662 keV, 8.4 μCi), ¹³³Ba (31, 80 and...(이미지참조) 60

Fig. 2.11. The waveforms (upper) and histograms (lower) of the position signals... 61

Fig. 2.12. The signal processing system composed of the commercial preamplifier... 62

Fig. 2.13. The circuit diagram (a), the layout design (b), and the constructed PCB... 64

Fig. 2.14. Energy spectra of ²⁴¹Am (59.5 keV) source measured 66

Fig. 2.15. Energy spectra of 57Co (122.1 keV) source measured by the first DSSD...(이미지참조) 67

Fig. 2.16. Energy spectra of ¹³³Ba (31 keV) source measured by the first DSSD... 68

Fig. 2.17. Energy spectra of ²⁴¹Am (59.5 keV) source measured by the second... 69

Fig. 2.18. Energy spectra of 57Co (122.1 keV) source measured by the second...(이미지참조) 70

Fig. 2.19. Energy spectra of ¹³³Ba (31 keV) source measured by the second DSSD... 71

Fig. 2.20. Deposit energy of converted electrons in the 145 ㎛ (left) and 300 ㎛... 74

Fig. 2.21. LabVIEW-based Vrms calculation program to estimate the noise of...(이미지참조) 75

Fig. 2.22. The energy spectra of ²²Na (511 and 1275 keV) (a), 137Cs (662 keV)...(이미지참조) 81

Fig. 2.23. Energy spectra calculated by the Monte Carlo simulation and the... 82

Fig. 2.24. The energy calibration method applied in the present study. The... 83

Fig. 2.25. The correlation between the energy and the detector channel for... 84

Fig. 2.26. The experimental setup (upper) and black diagram (lower) of the... 86

Fig. 2.27. The time difference spectrum measured with the coincidence detection... 87

Fig. 2.28. The experimental setup (center) and block diagram of the electronic... 90

Fig. 2.29. The time difference spectra measured with the coincidence detection... 91

Fig. 2.30. The schematic diagram of the detection principle of the DSSD. When... 93

Fig. 2.31. Energy spectra of ¹³³Ba (31 keV) source measured with the first DSSD... 94

Fig. 2.32. Energy spectra of ¹³³Ba (31 keV) source measured by the second DSSD... 95

Fig. 3.1. The Beryllium plate for the conversion of the incident gammas to... 98

Fig. 3.2. The mechanical structure of the proof-of-principle GEVI system. To... 99

Fig. 3.3. The block diagram (a), the circuit diagram (b), the layout design (c), and... 101

Fig. 3.4. The data acquisition system for the proof-of-principle system. The... 104

Fig. 3.5. Customized program of 2D Image reconstruction for the proof-of-... 105

Fig. 3.6. The schematic diagram for the 2D image measurement of the beta... 108

Fig. 3.7. Deposited energy spectra of the electrons in the first (145 ㎛) and second... 109

Fig. 3.8. 2D images (upper) and projection distributions (lower) of 90Sr beta source with respect to...(이미지참조) 110

Fig. 3.9. The schematic diagram for the 2D image measurement of the gamma... 113

Fig. 3.10. Deposited energy spectra of the electrons in the first (145 ㎛) and... 114

Fig. 3.11. The measured 2D image (left) and calculated one (right) using the GEVI... 115

Fig. 3.12. Measured 2D images of 60Co gamma-ray source (1173 and 1332 keV)...(이미지참조) 116

Fig. 3.13. Energy level diagram of the 9Be(α,n)¹²C reaction in the...(이미지참조) 119

Fig. 3.14. 2D images obtained from the GEVI system for the Am-Be source (Eγ... 120

Fig. 3.15. Deposited energy spectra of the electrons in the first (145 ㎛) and... 121

Fig. 3.16. Experimental setup for the measurement of the prompt gamma... 125

Fig. 3.17. Prompt gamma distributions imaged by the proof-of-principle system... 126

Fig. 3.18. Longitudinal projection distributions imaged from the GEVI system... 127

Fig. 3.19. Experimental setup for the measurement of the prompt gamma... 131

Fig. 3.20. 2D images and longitudinal projection distributions of prompt gammas imaged by the GEVI system with... 132

Fig. 4.1. The configuration of the DSSD array. The active area of... 135

Fig. 4.2. The distributions of the geometric efficiency of the imaging system... 139

Fig. 4.3. The EJ200 plastic scintillation detector. The area of the scintillator... 140

Fig. 4.4. The correlation between the energy and the detector channel for Compton... 143

Fig. 4.5. The FPGA-based fast data acquisition system. The system consists of 16... 145

Fig. 4.6. The data acquisition program for the developed DAQ system 146

Fig. 4.7. Digitized signal at the input channel of the FPGA-based DAQ system for... 148

Fig. 4.8. The DSSD's position signals acquired by the FPGA-based DAQ system... 149

Fig. 4.9. Energy spectra of 137Cs (662 keV, activity: 8.18 μCi), ²²Na (511 and 1275...(이미지참조) 151

Fig. 4.10. The circuit diagram (a), the layout design (b), and the constructed PCB... 154

Fig. 4.11. The waveforms of output signals of the shaping... 155

Fig. 4.12. The signal amplitude variation with respect to the count rate for the... 156

Fig. 4.13. The block diagram (a), the circuit diagram (b), the layout design (c),... 158

Fig. 4.14. The real-time image reconstruction program using the MATLAB. 160

Fig. 4.15. The mechanical structure of the prototype GEVI system. To convert... 162

Fig. 5.1. Methodology for the determination of distal falloff region of prompt... 165

Fig. 5.2. Experimental setup for the measurement of prompt gamma distributions... 170

Fig. 5.3. 2D prompt gamma image and longitudinal projection distributions obtained by the prototype... 171

Fig. 5.4. Calculated and measured 2D prompt gamma images for 150 MeV proton... 173

Fig. 5.5. 2D prompt gamma images according to the number of protons of 150... 174

Fig. 5.6. Distal falloff position determined by the prototype imaging system for... 175

Fig. 5.7. Prompt gamma images for 126 (beam range: 116 ㎜), 132 (126 ㎜), 138 (136 ㎜), 144 (147 ㎜), 150... 179

Fig. 5.8. 50% distal falloff positions of measured prompt gamma distributions... 181

Fig. 5.9. Schematic diagram of experimental setup for 2D prompt gamma... 185

Fig. 5.10. 2D prompt gamma images obtained by the prototype system according... 186

Fig. 5.11. Distal falloff position of measured prompt gamma... 187

Fig. 5.12. 2D prompt gamma images obtained by the prototype system according to the vertical movement of incident... 188

 양성자 치료는 광자 빔 또는 전자 빔을 이용한 기존의 방사선 치료와 달리 주변의 정상 조직이나 핵심 장기에 전달되는 선량을 최소화하면서 치료 부위에 선량을 집중적으로 전달하는 것이 가능하다. 하지만, 선량 계산의 오차, 치료 중 장기의 움직임, 인체 구조의 변화, 환자 셋업의 오차 등으로 인해 실제 전달되는 선량분포와 계획된 분포와의 차이가 발생할 수 있다. 이러한 양성자분포의 불확실성으로 인해 치료 부위 주변에 추가적인 선량 마진을 적용되고 있으며, 이로 인해 양성자 선량 분포의 장점을 활용한 최적화된 치료가 수행 되지 못하고 있다. 양성자 치료의 장점을 충분히 활용하고 환자의 안전을 제고하기 위해서는 인체 내 양성자 빔의 분포를 실시간으로 확인하는 것이 중요하다. 이에, 양성자 빔과 매질과의 핵반응으로 인해 발생하는 즉발감마선의 분포를 측정하는 방법이 제안되었으며, 양성자 빔 모니터링에 대한 가능성이 실험적으로 검증되었다. 하지만 본 방법을 임상에 활용하기 위해서는 고 에너지의 감마선을 측정하기 위한 최적화된 검출 장치의 개발이 필요하다.

이를 위해 본 논문에서는 고 에너지의 감마선 방출 영상을 위한 새로운 영상 방법인 감마 버텍스 영상(gamma electron vertex imaging, GEVI)을 제안하였으며, 양성자 빔 모니터링 관점에서 영상 방법의 적용가능성을 실험적으로 검증하였다. GEVI 방법에서는 감마선의 발생 위치를 결정하기 위해 입사한 감마선을 전자 변환기를 이용하여 콤프턴 산란을 통해 전자로 변환시킨 후, 변환된 전자의 궤적과 에너지를 각각 두 대의 위치 민감형 검출기와 칼로리미터를 이용하여 측정한다.

GEVI 기반의 영상 장치를 구성하기 위해 먼저, 구성 검출기를 위한 신호처리 장치를 자체 개발하였다. 위치 민감형 검출기인 양면 실리콘 스트립 검출기(double-sided silicon strip detector)의 데이터 획득 채널을 줄이기 위해 다중화 기반의 신호 처리 장치를 개발하였으며, 플라스틱 검출기(칼로리미터)를 위해 자체 개발한 성형증폭기 모듈을 사용하였다. 제안된 영상 원리를 검증하기 위해, 구성검출기와 신호처리 장치를 이용하여 원리 검증 장치를 구성하였으며, 감마선 선원과 즉발감마선 측정 실험을 통해 본 연구에서 제안된 GEVI 방법이 고 에너지 감마선 영상에 활용될 수 있음을 확인하였다.

영상 원리 검증 결과를 바탕으로 양성자 빔 모니터링에 대한 가능성을 확인하기 위해 GEVI 영상 장치 시제품을 개발하였으며, 치료용 빔을 이용하여 성능을 테스트하였다. 정량적인 분석을 위해 측정된 즉발감마선 분포의 50%급락 구역의 위치를 결정하는 방법론을 적용하였다. 먼저, 80, 120과 150 MeV의 치료용 빔을 이용한 실험을 수행하였으며, 6.24 × 109 개의 양성자빔에 대해 영상 장치의 효율은 6.91 × 10-7, 9.04 × 10-7, 1.15 × 10-6이었다. 실험을 통해 빔의 비정과 선형적인 관계를 가진 급락 지점을 각각 0.91, 0.86, 0.72의 불확실성을 가지고 결정할 수 있음을 확인하였다. 다음으로 고정된 영상 장치를 이용하여 빔의 에너지를 변경해가며 발생하는 즉발감마선의 분포를 측정하였다. 본 실험을 바탕으로, 2차 함수의 교정 식을 이용하면 영상 장치를 이용하여 빔의 비정을 정확하게 결정할 수 있음을 확인하였다. 또한, 깊이 방향으로 10 cm 이내, 높이 방향으로 ± 3 cm 이내의 빔의 입사위치 변화를 개발된 장치를 이용하여 확인할 수 있었다.

본 연구에서는 인체 내 양성자 빔의 분포를 확인하기 위해 새롭게 제안된 GEVI 방법 기반의 영상 장치를 개발하였으며, 그 성능을 실험적으로 확인하였다. 빔의 비정과 즉발감마선 분포의 급락 지점과의 연관성을 이용하여 개발된 장치를 통해 양성자 빔을 실시간으로 확인할 수 있었으며, 이를 바탕으로 장치의 임상 적용 가능성을 확인하였다. 또한 본 연구를 통해 확보한 저소음의 신호 처리 기술, 다채널 데이터 획득 기술 및 영상 재구성 기술 등은 향후 다양한 방사선 영상 장치 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대한다.