Study on neutron-induced damage to cardiac implantable electronic devices in radiation therapy

In high energy radiation therapy, there is experimental evidence that several damages can occur to cardiovascular implantable electronic devices (CIED). On the assumption that damages can be due to secondary photoneutrons, the aim of this thesis work was to assess the neutron ambient dose equivalent around two different linear accelerators (LINAC) and to study the induced damages from the interaction between neutrons and devices. For the measurement of the dose, expressed as ambient dose equivalent H*(10), we used the LUPIN detector, a particular REM counter developed for dosimetric applications in pulsed neutron fields (PNF), together with different instruments like traditional REM counters, bubble dosimeters and montecarlo simulation. To study the interaction between neutrons and devices and the induced damages, also, a sample of 99 CIEDs was subjected neutron radiography with thermal neutrons and tested for proper operation before and after the irradiation. Results show that the neutron field around linear accelerators increases at increasing energy and field size, while the ambient dose equivalent decreases for increasing distance from the isocenter of the machine. Also, the neutron production is way lower for electron beam therapy. Compared to other instruments, the LUPIN detector is confirmed not only as a valid instrument for neutron dosimetry in radiation therapy, in well agreement with monteacarlo simulations, but also the only valid active instrument, since traditional REM counters heavily underestimate the dose due to pulse pile-up. From neutron radiographs we have noticed a sensible neutron absorption in some integrated circuits that in principle can be due to the presence of borophosphosilicate glass (BPSG), a material often used in the production of semiconductor devices as an alternative to traditional phosphosilicate glass (PSG). The results from the post-irradiation device analysis, also, show that a fair number of devices has been suffering from errors and malfunctions, basically confirming the hypothesis of neutron-induced damages from thermal neutrons.

In radioterapia, specialmente per trattamenti ad alta energia, si è evidenziato in diverse occasioni il danneggiamento di dispositivi cardiaci impiantati nei pazienti. Sull’ipotesi che il danno possa essere indotto dalla inevitabile presenza di un campo neutronico secondario, lo scopo di questo lavoro di tesi è stato di caratterizzare la dose neutronica intorno a due diversi modelli di LINAC medicali e studiare i possibili danni indotti dall’interazione dei neutroni con i dispositivi. Per la misurazione della dose neutronica, espressa come equivalente di dose ambientale H*(10), è stato usato il rivelatore LUPIN, un particolare REM counter progettato per applicazioni dosimetriche in campi pulsati. In funzione della disponibilità, lo strumento è stato confrontato con altri strumenti quali REM counter commerciali, dosimetri a bolle e simulazioni montecarlo. Per lo studio dei danni indotti ai dispositivi e dell’interazione con i neutroni, invece, sono state effettuate radiografie neutroniche con fascio termico su un vasto campione di pacemaker e defibrillatori. I risultati mostrano che la produzione neutronica negli acceleratori, misurata in termini di dose, cresce significativamente all’aumentare delle energie del fascio e della dimensione del campo di irraggiamento, e che la dose diminuisce all’aumentare della distanza dal centro del fascio. Inoltre, la produzione di neutroni è significativamente minore per fasci di elettroni. Confrontati con gli altri metodi di acquisizione, i risultati del rivelatore LUPIN mostrano che questo strumento non solo rappresenta un valido sistema di monitoraggio della dose ambientale, in quanto in linea con le simulazioni montecarlo, ma anche costituisce l’unico valido strumento di misura attivo, poichè i REM counter convenzionali sottostimano pesantemente la dose a causa del pile-up di conteggi. Dalle radiografie neutroniche si è invece potuto notare un sospetto assorbimento neutronico in alcune componenti che potrebbe essere ricondotto alla presenza di borofosfosilicato (BPSG), un materiale spesso usato nella produzione di componenti elettroniche in alternativa al tradizionale fosfosilicato (PSG). I risultati della diagnosi dei dispositivi dopo le radiografie, inoltre, mostrano che un discreto numero di dispositivi ha riportato errori o malfunzionamenti, confermando di fatto l’ipotesi di danno indotto da neutroni termici.