Characterization of Fricke and polymer gels for intraoperative radiation therapy dosimetry

Modern radiotherapy techniques are capable of delivering highly conformal radiation dose distributions. This allows to safeguard healthy tissues from excessive exposure by optimally shaping the irradiation geometry. Refined treatment planning is a prerequisite for the fulfillment of such goal, and is nowadays performed via dedicated software. One of the most challenging tasks of modern dosimetry consists in performing a quantitative evaluation of dose distributions delivered by accelerators, in order to provide treatment planning verification. Nowadays, this kind of measurements are performed via radiochromic films or bidimensional arrays of detectors; these instruments are used to acquire multiple dose projections from which a tridimensional dose distribution can then be computationally reconstructed. These systems, however, present some limitations due to their low tissue equivalence, in particular when used for small-field dosimetry; moreover, a direct volumetric acquisition without the need for mathematical reconstruction would be favorable. Chemical gel dosimeters are promising instruments for the verification of dose distributions delivered in highly conformal radiotherapy sessions. Their excellent tissue equivalence and the possibility of shaping the gel matrix in arbitrary geometries are great advantages over traditional systems. Moreover, they present the unique capability of simulating tissue inhomogeneities by varying the density of their gel matrix. Various families of gel dosimeters are being studied nowadays; this thesis work focused in particular on the characterization of Fricke and polymer gels, investigating their applicability in Intraoperative Radiation Therapy (IORT) dosimetry. IORT is a delivery strategy which in recent clinical trials has proved to be a valid alternative to conventional external beam radiotherapy for the treatment of breast cancer. As its name implies, with this technique dose delivery is performed mid-surgery directly on exposed tissues after resection of the tumor. Dedicated accelerator systems have been developed for the delivery of IORT. In this thesis work the Novac7 LINAC was employed to perform irradiations: it is a mobile unit capable of producing a pulsed electron beam with nominal energies up to 9 MeV. One of the peculiarities of this accelerator system consists in the very high dose per pulse delivered by the machine, which entails specific dosimetric challenges. Characterization of Fricke and polymer gels was initially focused on the identification of the dosimetric compositions and preparation procedures that could yield optimal performance. The manufacturing of thin-layer dosimeters and volumetric phantoms allowed the acquisition of planar transverse dose profiles and depth-dose distributions. All gel formulations and sample geometries (spectrophotometric cuvettes, thin-layers and volumetric phantoms) were tested for temporal stability and reproducibility. Optical analysis of irradiated samples was performed via spectrophotometric measurements and planar imaging. An ultra-high field 7 T Magnetic Resonance Imaging apparatus was also used for analysis of volumetric gel phantoms. Fricke gels analyzed via optical measurements showed very good linear behavior up to 40 Gy, alongside with an excellent reproducibility. Polymer gels presented a very high sensitivity under both optical and MRI analysis, at the expense of a more limited linear range of 4 Gy. Dosimetric parameters of Fricke gels gradually worsened over time, indicating that they should ideally be analyzed within 24 h post-irradiation. Polymer gels, on the other hand, retained almost unaltered performance even 135 h post-irradiation. Unexpected difficulties emerged during MRI analysis of Fricke gel phantoms, probably due to the high ionic content of such formulation which caused some perturbation in the magnetic field. On the other hand, measured transverse dose profiles and depth-dose distributions both showed very good agreement with data acquired via ionization chambers. Thin-layer samples prepared with Fricke gels showed a noticeable temporal degradation of spatial integrity in the hours following irradiation due to the diffusion of ferric ions. Polymer gels, on the other hand, presented no appreciable variation of dose profiles over 450 h post-irradiation, indicating excellent temporal stability.

Le moderne tecniche radioterapiche sono in grado di impartire distribuzioni di dose con un alto grado di precisione. Ciò consente di salvaguardare i tessuti sani limitandone l'esposizione in seguito a un'opportuna pianificazione della geometria di irraggiamento. Requisito fondamentale a questo scopo è un'attenta pianificazione del piano di trattamento condotta attraverso software dedicati. Una delle sfide più impegantive per la dosimetria moderna consiste nel valutare queste complesse distribuzioni di dose al fine di verificare che la dose erogata ai pazienti sia coerente con quanto ipotizzato. Ad oggi, quest tipo di valutazioni sono condotte per mezzo di pellicole radiocromiche o matrici bidimensionali di detector; questi strumenti sono in grado di acquisire numerose proiezioni di dose da cui una distribuzione tridimensionale può essere ricostruita attraverso un approccio computazionale. Questi strumenti presentano tuttavia degli inconvenienti, in particolare quando usati nella dosimetria di campi di piccole dimensioni; inoltre, la possibilità di acquisire informazioni in modo tridimensionale senza dover ricorrere a delle ricostruzioni matematiche sarebbe preferibile. I dosimetri chimici a gel hanno mostrato capacità promettenti per la misura di distribuzioni volumetriche di dose. La loro ottima tessuto-equivalenza, unita all possibilità di realizzarli in geometrie arbitrarie, rappresentano alcuni dei vantaggi rispetto a sistemi di misura tradizionali. Inoltre, i dosimetri a gel possiedono la capacità esclusiva di simulare inomogeneità tissutali variando la densità della matrice di gel. Diverse famiglie di dosimetri a gel sono oggetto di recente studio; questo lavoro di tesi è stato focalizzato sulla caratterizzazione di gel polimerici e gel di Fricke, al fine di valutare la loro applicabilità in Radioterapia Intraoperatoria (IORT). La IORT è una strategia di trattamento che, come suggerisce il nome, viene effettuata durante l'intervento chirurgico dopo la resezione del tumore. In recenti trial clinici, essa ha dimostrato un'efficacia simile alla più tradizionale radioterapia a fasci esterni. Esistono diversi acceleratori dedicati a trattamento IORT. In questo lavoro di tesi l'acceleratore Novac7 è stato utilizzato per effettuare gli irraggiamenti: esso consiste in un'unità acceleratrice mobile, capace di produrre fasci pulsati di elettroni di energia nominale fino a 9 MeV. Una delle peculiarità di questo acceleratore consiste nell'alto valore di dose per impulso che esso è in grado di erogare; ciò comporta particolari sfide in campo dosimetrico. La caratterizzazione dei gel polimerici e di Fricke è stata inizialmente focalizzata a identificare la composizione e il metodo di preparazione che producesse la migliore performance. L'uso di gel in strati sottili e fantocci ha consenstito di valutare profili trasversali di dose nel piano e curve di dose in profondità. Ogni formulazione dosimetrica e geometria dei campioni (cuvette spettrofotometriche, strati sottili e fantocci) è stata testata in termini di stabilità temporale e riproducibilità. L'analisi ottica dei campioni è stata effettuata attraverso misure spettrofotometriche e acquisizioni di immagini planari. Uno scanner per imaging a risonanza magnetica (MRI) a ultr-alto campo di 7 T è stato utilizzao per l'analisi dei fantocci dosimetrici. I gel di Fricke analizzati otticamente hanno evidenziato un ottimo comportamento lineare fino a 40 Gy, accompagnato da un'eccellente riproducibilità. I gel polimerici hanno mostrato un'alta sensibilità sia attraverso analisi ottica, sia attraverso MRI, a discapito però di un range lineare di risposta limitato a 4 Gy. I parametri dosimetrici dei gel di Fricke hanno mostrato un graduale peggioramento col passare del tempo, indicativo del fatto che essi dovrebbero essere analizzati entro le 24 h post-irraggiamento. I gel polimerici al contrario hanno conservato inalterata la loro performance anche a 135 h dall'irraggiamento. Difficoltà inattese sono state riscontrate durante l'analisi MRI del fantoccio a gel di Fricke, probabilemte a causa del suo alto contenuto ionico che provoca delle disuniformità nel campo magnetico. Al contrario, i profili trasversali di dose e le curve di dose in profondità hanno mostrato un ottimo accordo con valori misurati attraverso camere a ionizzazione. Strati sottili di gel realizzati con gel di Fricke hanno evidenziato una notevole degradazione dell'integrità spaziale dei profili acquisiti nelle ore successive all'irraggiamento a causa della diffusione degli ioni ferrici. Al contrario, fantocci di gel polimerico non hanno mostrato apprezzabili variazioni nei profili di dose registrati, anche dopo 450 ore dall'irraggiamento, a indicazione della loro eccellente stabilità.