HeCheck : studio di fattibilità di un sistema di verifica in tempo reale della posizione del paziente durante un trattamento adroterapico

In the last decades, radiation therapy with ion beams has been spreading worldwide for the treatment of cancer disease. Better conformation and effectiveness of the dose delivered to the tumor with ions implies that any uncertainty in the delivered dose distribution may lead to a severe underdosage of the tumor and/or an overdosage of the surrounding healthy tissue, thus making ion beam therapy highly sensitive to any patient position variation. The aim of this work is to study a technique that permits a real-time verification of the patient position during the treatment. The nuclei 12C and 4He have the same magnetic rigidity: the two particles could be accelerated together in an accelerator and it is possible to add a little fraction of 4He2+ to a treating 12C6+ beam, such that a mixed particle beam with the same energy per nucleon will be delivered to the patient. In the same medium and with the same energy per nucleon the range of 4He2+ is about three times the 12C6+ one. In the same beam it is feasible to have both treating carbon (that completely stops into the patient) and He that passes through the patient. By detecting and measuring the residual range and position of He it is possible to measure the density and/or the width of the patient and verify that they are the expected ones. In this way the patient position could be verified. It is studied a detector of the He particles based on the exploitation of a plastic scintillator and a CCD/CMOS sensor. By looking the scintillation light is possible to measure the He residual range. By measuring the photons per pixel impinging on the sensor it is performed a validation of two Monte Carlo models that can predict the magnitude of the light signal measured by the sensor. Using FLUKA simulations it is possible to evaluate the quenching coefficient of the scintillator. If the scintillation light is viewed with a optical system, many optical issues arise. It is possible to correct the measured range knowing the beam position into the scintillator. The prototype of the detector build can measure the residual range of He particles with a millimetrical precision despite the presence of carbon pertaining fragments.

La radioterapia con ioni si sta diffondendo a livello mondiale per il trattamento dei tumori. Gli ioni permettono una migliore efficacia biologica e conformazione della dose rispetto ai fotoni: ogni incertezza nella distribuzione di dose può portare a non dare sufficiente dose al tumore o somministrarne troppa ai tessuti sani circostanti. Per questo motivo la terapia con ioni è fortemente sensibile a qualsiasi movimento del paziente. Lo scopo di questo lavoro è lo studio di una tecnica che permetta la verifica in tempo reale della posizione del paziente durante il trattamento. I nuclei di 12C e 4He hanno la stessa rigidità magnetica: è possibile pensare all’accelerazione congiunta delle due specie in modo che un fascio misto di elio e carbonio alla stessa energia per nucleone sia diretto sul paziente. Alla stessa energia per nucleone e nello stesso mezzo il range dell’elio è circa tre volte quello del carbonio. È possibile pensare a un fascio in cui il carbonio depositi dose al paziente mentre l’elio lo attraversi completamente. Misurando il range residuo delle particelle di elio uscenti è possibile valutare la densità e/o lo spessore del paziente e verificare che siano quelli previsti. In questo modo è possibile operare una verifica della posizione del paziente. È studiato un detector per la misura delle particelle di elio basato sull’utilizzo di uno scintillatore plastico combinato con un sensore di luce CCD/CMOS nel quale osservando la luce di scintillazione è possibile misurare il range residuo dell’elio. È stata effettuata la validazione di due diversi modelli Monte Carlo che permettono di valutare l’intensità del segnale luminoso in termini del numero di fotoni per pixel visti dal sensore. Usando simulazioni con FLUKA si è stimato il coefficiente di quenching dello scintillatore plastico. Osservare lo scintillatore con un sistema ottico genera diversi problemi di tipo ottico. Si è dimostrato che è possibile la correzione degli stessi conoscendo la posizione del fascio nello scintillatore. Il detector costruito è in grado di misurare il range residuo dell’elio con una precisione millimetrica anche in presenza dei frammenti provenienti dal carbonio.