[en] Hadrontherapy is currently a clinical reality in radiation oncology and a proven technique in the fight against cancer. In the world today, hadrontherapy is being more and more widely employed for treating patients with non-operable deep-seated or radio-resistant tumours because of its advantage in delivering a highly conformal dose to the tumour volume. This offers an increased likelihood of tumor control and a better sparing of healthy surrounding tissue as compared with traditional radiotherapy which use photon beams. Despite the fact that 35 centers are currently treating patients, hadrontherapy is still considered to be an emerging clinical technique. One of the persisting challenges to hadrontherapy is the verification of the dose delivered to the patient since the physical properties of hadrons are only beneficial for therapy if they can be delivered precisely to the tumour volume. Quality assurance can be achieved using novel diagnostic techniques which make use of radiation detectors similar to those developed for high-energy physics experiments and already used in medical imaging. Proton radiography can be used to verify the patient setup prior to irradiation, using a diagnostic proton beam of higher energy and lower intensity, but can also provide directly the information needed for accurately computing the range of hadrons in the patient tissues. Range calculations currently rely on X-ray CT data, and are characterized by a small but non-negligible uncertainty. During irradiation with the therapeutic beam, the activation of the patient tissues caused by nuclear interactions with the hadron beam can be visualized by PET detectors, making it possible to perform in-vivo dosimetry during irradiation and in the minutes immediately following. In this context, this thesis presents an expansive study of novel radiation detectors which have been developed for quality assurance in clinical hadrontherapy. Three distinct detector solutions are described, a proton radiography instrument and two detectors technologies which could be used for performing in-vivo dosimetry of the delivered treatment plan. In the case of proton range radiography (PRR), a novel instrument called the PRR10 has been built having 10x10 cm2 active area and covering a residual range of 10 cm water-equivalent path length (WEPL). The PRR10 has been extensively tested with proton beams at the Paul Scherrer Institute (PSI) in Villagen, Switzerland and at the Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica (CNAO) in Pavia, Italy. A residual range resolution of 1.6 mm WEPL has been measured as well as a spatial resolution better than 1 mm. The PRR10 currently sits at the CNAO center awaiting further testing while a new instrument, the PRR30, which has an active area of 30x30 cm2, is reaching a final stage of completion. The PRR30 will allow full-size PRR images to be made and is scheduled for testing with proton beams at PSI and the CNAO by the end of 2013. To perform in-vivo dosimetry, two different PET technologies have been studied. The first is based on inorganic scintillators (crystals) coupled to a photodetector, having many similarities to conventional PET hardware for nuclear medicine. The design for a unit PET detector based on crystal follows the trends in current PET research allowing for the depth-of-interaction (DOI) to be measured as well as the time-of-flight (TOF) between the coincidence photons. Both techniques result in a higher effective sensitivity and a better rejection of noise, and therefore higher quality PET images. Two prototypes have been assembled and tested, built using 12x60x30 cm3 LYSO crystals and a multi-anode Multi-Channel Plate (MCP) photodetector. An excellent localization of the photon interaction, 1.2 mm in the transverse direction and 15 mm in DOI, have been demonstrated with an energy resolution of 13% FWHM. The coincidence TOF resolution has been measured as 810 ps. The second PET technology we have studied makes use of multi-gap Resistive Plate Chambers (MRPCs), which are highly unusual in PET because of their low detection efficiency to 511 keV gammas. Compact MRPC modules have been built and tested, having 7x10 cm2 and 12x30 cm2 active area. The design and assembly procedure has been shown to be suitable for mass-production, a requirement for overcoming the intrinsic low efficiency. A 4-gap 7x10 cm2 MRPC module has been tested and shown to have an efficiency of (0.66 0.01)% to 511 keV gammas. In addition, the timing between ends of the strip readout at either side of the module has been measured as 3.8 ps, enough to allow an interaction localization of 3.5 mm. The single-detector TOF resolution between two single-gap RPCs and two 4-gap MRPCs has been measured as 310 ps and 370 ps, respectively with a coincidence resolution of 150 ps expected shortly. To compliment the experimental results, Monte-Carlo simulations of both LYSO-MCP and MRPC-based PET scanners have been carried out using the GATE toolkit. Two commercial detectors, the Philips Gemini and Siemens HiRez, have also been included in the study as a benchmark for the results. The full-ring LYSO-MCP scanner has been shown to have a 57% higher sensitivity than the Gemini to a 70 cm long line source, a consequence of the increased depth (30 mm) of the LYSO crystals used in our design. An MRPC-PET scanner, after performing a sensitivity optimization of various parameters, has been shown to be a factor of 2.5 higher than the Gemini. Although considerable development will be required to build such a MRPC-PET scanner, the gains in sensitivity over existing commercial scanners, coupled with their excellent TOF resolutions, make this technology an exciting alternative to crystals, whether for hadrontherapy quality assurance, or whole-body PET imaging.

[es] La terapia de hadrones es actualmente una realidad médica en oncología de radiación y una técnica probada en la lucha contra el cáncer. Hoy en día, el uso de la terapia de hadrones está ampliamente extendido en el tratamiento de pacientes con tumores profundos, no operables o resistentes a la radioterapia, debido a la ventaja de administrar una alta dosis de radiación con respecto al volumen del tumor. De esta forma se obtiene un mejor del control y protección del tejido circundante comparado con la radioterapia tradicional basada en haz de fotones. A pesar de que solo 35 centros médicos están actualmente tratando a pacientes de cáncer, la terapia de hadrones sigue considerada como una técnica medica emergente. Uno de sus retos permanentes consiste en la verificación de la dosis administrada al paciente ya que las propiedades físicas de los hadrones hacen que la terapia sea efectiva solo si se administra con precisión estrictamente al volumen del tumor. El control de calidad se consigue mediante la utilización de novedosas técnicas de diagnóstico por medio de detectores de radicación similares a los desarrollados para experimentos de física de partículas que ya se vienen utilizando en la producción de imágenes médicas. Las radiografías de protones se usan no solo para verificar el estado del paciente previo a los tratamientos de radioterapia, utilizando haces de protones de alta energía y baja intensidad, así como para obtener información necesaria para calcular de forma precisa el nivel de radiación de hadrones en los tejidos del paciente. Los cálculos de nivel de radiación se hacen hoy en día por medio de datos CT de rayos X, que se caracterizan por tener poco precisión. Durante la irradiación con haz terapéutico, la activación de los tejidos del paciente causados por interacciones nucleares con el haz de hadrones se puede visualizar por medio de detectores PET, haciendo posible representar en el momento la dosis administrada solo unos minutos después. En este contexto, esta Tesis presenta un estudio amplio sobre detectores de radiación novedosos que han sido desarrollados para asegurar la calidad en terapia de hadrones clínica. Tres diferentes soluciones se describen a continuación, un aparato de radiografía de protones y dos detectores cuya tecnología se utiliza para saber en el momento la dosis administrada durante el plan de tratamiento. En el caso de la radiografía en el rango de protones (PRR), se ha desarrollado un nuevo instrumento llamado PRR10, que tiene un área activa de 10 x 10 cm2 cubriendo un rango residual de 10 cm de longitud de tramo en equivalente de agua (WEPL). El PRR10 ha sido testeado ampliamente con haz de protones en el Instituto Paul Scherrer (PSI) en Villagen, Suiza y en el Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica (CNAO) en Pavia, Italia. Se han tomado medidas con una resolución de rango residual de 1.6 mm WEPL así como una resolución espacial inferior a 1 mm. El PRR10 esta instalado actualmente en el CNAO a la espera de nuevos test mientras un nuevo instrumento, el PRR30 que tiene un área activa de 30 x 30 cm2 está llegando a su última etapa de desarrollo. El PRR30 permitirá imágenes PRR a tamaño completo y está previsto que se empiece a testar con haz de protones en el PSI y el CNAO hacia finales de 2013. Para realizar dosimetría en vivo, se ha procedido al estudio de dos tecnologías PET diferentes. La primera está basada en escintiladores orgánicos (cristales) acoplados a un foto-detector, con muchas similitudes con respecto a aparatos PET convencionales de medicina nuclear. El diseño del detector PET de cristales sigue las tendencias actuales en investigación PET para obtener la medida de la profundidad de interacción (depth-of-interaction, DOI) así como el tiempo de vuelo (time-of-flight TOF) entre protones concurrentes. Ambas técnicas suponen una mayor sensibilidad efectiva y una mejora en la eliminación de ruido y por tanto en la calidad de las imágenes PET. Dos prototipos han sido construidos y testados, usando cristales LYSO de 12 x 60 x 30 cm3 y foto detectores de multi-ánodo y placa multi-canal (MPC). De esta forma se ha demostrado la excelente localización de la interacción de fotones, 1.2 mm en dirección transversal y 15 mm en DOI, con una resolución de energía de 13% FWHM. La resolución de concurrencia de TOF medida es de 810 ps. La segunda tecnología PET estudiada hace uso de las cámaras de placa resistiva multi-hueco (multi-gap Resistive Plate Chambers, MRPCs) que se utilizan raramente en PET debido a su baja eficacia de detección a gammas de 511 KeV. Los módulos compactos MRPC han sido construidos y testados, y tienen una área activa de 7 x 10 cm2 y 12 x 390 cm2. El diseño y el procedimiento de ensamblaje es apto para producción a gran escala, un requerimiento necesario para contrarrestar su baja eficacia. Módulos MRCP de 4 huecos de 7 x 10 cm2 han sido sometidos a test y muestran un eficacia de 0.66 a 0.01 % a gammas de 511 KeV. Además, se han obtenido tiempos entre lecturas de fin de franja en ambos lados del módulo de 38 ps., suficiente para permitir una localización de interacción de 3.5 mm. La resolución del detector simple TOF entre dos RPCs de hueco único y dos MRPCs de 4 huecos es de 310 ps y 370 ps respectivamente, con una poco esperada resolución de coincidencia de 150 ps. Para complementar los resultados experimentales obtenidos, se han efectuado simulaciones Monte-Carlo usando la herramienta GATE en escáneres PET como el LYSO-MCP y MRCP. También han sido incluidos en el estudio dos detectores comerciales como el Gemini de Philips y el HiRez de Siemens. El escáner de anillo completo LYSO-MCP ha demostrado tener un 57 % más de sensibilidad que el Gemini a 70 cm en línea de la fuente, como consecuencia del aumento de profundidad (30 mm) de los cristales LYSO utilizados en su diseño. Un escáner MRPC-PET, después de la optimización de sus parámetros de sensibilidad muestra un factor 2.5 en sensibilidad con respecto al Gemini. Aunque los recursos en términos de desarrollo para construir un escáner MRPC-PET son considerables, la ganancia en sensibilidad con respecto a los escáneres comerciales de hoy en día, unido a las excelentes resoluciones TOF, hacen de esta tecnología una interesante alternativa a los cristales, tanto para control de calidad de terapia de hadrones como para imágenes PET de cuerpo entero.