Synchrotron x-ray spectra characterization for radiation therapy applications at the ESRF-ID17 biomedical beamline

Microbeam radiation therapy (MRT) is an innovative radiotherapy technique based on the spatial fractionation of the irradiation field at micrometric scale. MRT showed im- proved outcome in preclinical studies, thanks to an increased healthy tissue tolerance to the radiation and efficacy in limiting the tumor development. MRT is currently best performed at synchrotron radiation sources such as the ID17 Biomedical beamline at the European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) where the incredible brilliance of the x-ray source is fully exploited. The MRT, as all the RT tech- niques, needs reliable dosimetric protocols because an accurate dose definition is manda- tory for the successful outcome of clinical treatment. The basis of any dosimetry and irradiation protocol is a precise knowledge of the energy spectrum used. The aim of this study is the validation of the x-ray energy spectra used at ID17 for MRT studies in order to provide them as a reliable input for dosimetric studies and treatment planning calcu- lation. The spectra were calculated by mean of a software called OASYS, in-house developed at ESRF, used for the first time at ID17, that allows to perform a virtual synchrotron exper- iment. Half Value Layer (HVL) measurements were performed for the spectra validation. This method consists in calculating and measuring the attenuation of the spectrum caused by additional layer of materials to find the thickness needed to attenuate the intensity of the beam to half of its initial value. The characterization was performed for the most used beamline configurations defined for MRT studies. The obtained x-ray spectra were used for dosimetry study in reference conditions. Depth dose profile were acquired inside a water equivalent phantom using a PTW PinPoint ionization chamber for absolute dosimetry and radiochromic films for relative attenua- tion measurement. The resulting experimental data sets were compared to corresponding Monte Carlo simulations of the setup used. The results obtained showed an extremely good agreement between measured and com- puted data. For both the HVL measurement and for the absolute depth dose profile, the % difference between the measured and theoretical values was below 2% for the first method and below 3% for the second one. These values are respecting the conventional criteria ii | Abstract for RT application, for which the measured dose can deviate at maximum by 3% from the expected one. Regarding the relative depth dose profile performed with radiochromic films, the agreement was still good, with most of the values below 3%, but few outliers were reaching around 5% of difference, which may require a further investigation. The results are overall satisfactory and proved that the software used to simulate the X-ray spectrum at the ID17 beamline is reliable for the simulation of the radiation spectra. The obtained spectrum profiles can be provided as reliable inputs for future developments in MRT dosimetry such as the use of dedicated treatment planning systems for the definition of the delivered dose in forthcoming clinical trials.

La radioterapia per microfasci (MRT) è un’innovativa tecnica di radioterapia (RT) basata sul frazionamento spaziale del campo di irradiazione utilizzato, su scala micrometrica. La MRT ha mostrato ottimi risultati negli studi preclinici, grazie ad un’aumentata tolleranza dei tessuti sani alla radiazione ed ad un’efficacia nel limitare lo sviluppo del tumore. La MRT è studiata al momento nelle sorgenti di radiazione di sincrotrone come la beam- line biomedica ID17 allo European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), per utilizzare al meglio le incredibili proprietà dei raggi-x emessi. La MRT, come tutte le tecniche di RT, si basa su affidabili protocolli di dosimetria, perché un’accurata definizione della dose utilizzata è obbligatoria per un positivo risultato nei trattamenti clinici. Alla base di ogni studio di dosimetria c’è una precisa conoscenza dello spettro utilizzato. Lo scopo di questo studio è di validare lo spettro energetico utilizzato ad ID17 per studi di MRT in modo da fornire un input affidabile per studi di dosimetria e piani di trattamento. Lo spettro è stato calcolato grazie ad un software chiamato OASYS, sviluppato in-house ad ESRF, usato per la prima volta ad ID17, che permette di simulare un esperimento di sincrotrone virtuale. Il metodo Half Value Layer (HVL) è stato utilizzato per la val- idazione dello spettro calcolato. Il metodo consiste nella misurazione dell’attenuazione causata dall’inserimento di layer addizionali di materiale lungo il cammino dello spettro, con lo scopo di trovare lo spessore per il quale l’intensità del fascio si riduca a meta del suo valore iniziale. La caratterizzazione è stata ottenuta per le configurazione della beamline più utilizzate negli studi di MRT. Gli spettri ottenuti sono stati usati per studi di dosimetria in condizioni di riferimento. I depth dose profile sono stati misurati all’interno di un cubo fatto di materiale equivalente all’acqua, usando sia una camera ionizzazione per ottenere delle misure assolute, sia dei film radiocromici per ottenere delle misure relative di attenuazione. Entrambi i risultanti data set sperimentali sono stati confrontati con i valori ottenuti mediante simulazioni Monte Carlo dello stesso setup utilizzato. I risultati ottenuti mostrano una concordanza molto buona tra valori misurati e calco- lati. Sia per le misure di HVL che per il depth dose profile con misurazione assoluta, la differenza percentuale tra i dati misurati e quelli teorici, è al di sotto del 2% e al di sotto del 3% rispettivamente. Questi valori rispettano i criteri convenzionali utilizzati per applicazioni di RT, per i quali la dose misurata può allontanarsi di al massimo 3% da quella attesa. Per quanto riguarda le misure di depth dose profile relative utilizzando i film, i risultati sono comunque buoni, con la maggior parte dei valori entro il 3%, ma pochi valori raggiungono all’incirca il 5% di differenza percentuale con i dati simulati, il che richiede ulteriori investigazioni. I risultati sono nel complesso molto soddisfacenti e provano che il software utilizzato per simulare lo spettro a raggi x alla beamline ID17 sia affidabile per la simulazione dello spettro reale. I profili di spettro ottenuti possono essere quindi forniti come affidabile input per futuri sviluppi di dosimetria per MRT come l’uso di sistemi di trattamento dedicati per la definizione della dose inviati in prossimi trial clinici.