Radiation-induced vaporisation of superheated nanodroplets as an in vivo proton range verification technique : a Monte Carlo approach

Nowadays, the use of ionising radiation has many applications in medicine; one of which is the Proton Therapy for cancer treatment. However, uncertainties in the proton beam range lead to non-optimal treatments, hence limiting the effectiveness of proton therapy in treating malignant tumours, while sparing healthy tissue. This work, developed as part of the larger European project ``AMPHORA'', investigates the potential use of superheated nanodroplets as an in-vivo proton range verification tool. In particular, nanodroplets convert into highly echogenic microbubles detectable via ultrasound interrogation upon radiation induced vaporisation. Here, a Monte Carlo model was build using the Geant4 toolkit and it was used to simulate the radiation induced vaporisation of superheated nanodroplets containing C3F8 or C4F10 under different experimental conditions. To reduce the simulation time, an approximate acceleration technique was developed and validated. Using this technique we showed that, at least using C3F8, already starting from a temperature of 36°C it seems possible to detect the Bragg peak region looking at the vaporisation events. So, results are encouraging and future experiments are planned in order to validate the results presented in this work. Once validated, this model will allow to readily optimise future experiments and provide useful insights into the nanodroplets' radiation response.

Al giorno d'oggi le radiazioni ionizzanti hanno molte applicazioni in medicina; una di questa è la protonterapia, utilizzata per i trattamenti tumorali. Quest'ultima ha un efficacia limitata nel trattamento dei tumori maligni a causa delle incertezze sul range dei protoni, le quali spesso costringono all'utilizzo di trattamenti non ottimali per salvaguardare i tessuti sani. Il presente lavoro, sviluppato come parte di un più ampio progetto Europeo denominato "AMPHORA", ha lo scopo di indagare il potenziale utilizzo di nano-gocce surriscaldate per verificare il range dei protoni in-vivo. Nello specifico, utilizzando il toolkit Geant4 è stato sviluppato un modello Monte Carlo che è stato utilizzato per simulare la vaporizzazione di quest'ultime indotta dall'interazione con le radiazioni ionizzanti. Le simulazioni sono state condotte utilizzando nano-gocce contenenti C3F8 o C4F10 in diverse condizioni sperimentali. Inoltre, per ridurre il tempo necessario alla simulazione, è stata sviluppata e validata una tecnica di accelerazione approssimata. Utilizzando questa tecnica abbiamo dimostrato che, almeno nel caso in cui vengono utilizzate nano-gocce contenenti C3F8, già a partire da una temperature di 36°C sembra possibile identificare il Bragg peak analizzando gli eventi di vaporizzazione. Dunque, i risultati sono incoraggianti e sono già in programma esperimenti aventi lo scopo di validare i risultati presentati in questo lavoro. Una volta validato, questo modello consentirà di ottimizzare i futuri esperimenti e restituirà informazioni utili circa la risposta delle nano-gocce surriscaldate alle radiazioni ionizzanti.