Experimental and computational study of high-energy radiotherapy effects on cardiac implantable electronic devices with CR39 and MCNP

Cardiac Implantable Electronic Devices (CIEDs) are nowadays widely used as therapy for patients suffering from cardiovascular diseases. However, it has been experimentally observed that the secondary phototoneutron field produced by linear accelerators (LINACs) during high-energy radiotherapy treatments (>10 MV) can induce serious malfunctions in them. The purpose of the present thesis work is, therefore, to characterize the secondary radiation field generated by two different LINACs (Varian Clinac DHX™ and Elekta Synergy®) through measurements of thermal neutron fluence in the region where the cardiac device is usually implanted. Accordingly, an experimental measurement campaign was carried out at the ‘Ospedale di Circolo e Fondazione Macchi’ in Varese (IT) where a Varian Clinac DHX is installed, at the ‘Azienda sanitaria universitaria Giuliano Isontina (ASUGI)’ in Trieste (IT) and at the ‘San Luca’ hospital in Lucca (IT), both housing a Elekta Synergy 3028 linear accelerator. Realistic treatment plans were simulated on a BOMAB-like phantom inside which nuclear track detectors in CR39 coupled to boron carbide converters with 99% B-10 enrichment were arranged and used to estimate the quantity of interest. In addition to that, some measurements were performed aimed at studying the spatial distribution of neutron fluence along the axis of the phantom. At the same time, a computational model of the Elekta Synergy accelerator head and the treatment room of ASUGI was extended with the addition of a phantom designed to reproduce the one used in the experiments and aimed at simulating the patient’s body. This model is based on the Monte Carlo MCNP 6.2 code. From the comparison between experimental results and data reported in the literature, it appears that the thermal neutron fluence, to which a patient is exposed during a complete course of radiotherapy, does not reach values for which it is has been experimentally demonstrated that there may be a permanent damage to the cardiac device (∼10^9 n/cm^2 ), at least in the treatments investigated in this work. Moreover, it has been shown both experimentally and through computer simulations that the neutron spectrum does not significantly vary if measured at different points within the phantom, even modifying the irradiation conditions.

I dispositivi cardiaci elettronici impiantabili, noti con l’acronimo di CIED, sono oggigiorno largamente utilizzati come terapia per i pazienti con malattie cardiovascolari. È stato, tuttavia, osservato sperimentalmente che il fascio fotoneutronico secondario prodotto dagli acceleratori lineari (LINACs) durante trattamenti radioterapici ad elevata energia (>10 MV) può indurre in essi malfunzionamenti che mettono a rischio la vita dei pazienti. L’obiettivo del presente lavoro di tesi è, quindi, quello di caratterizzare il campo di radiazione secondaria generato da due diversi LINAC (Varian Clinac DHX™ed Elekta Synergy®) tramite misure di fluenza neutronica termica nella regione in cui il dispositivo cardiaco è solitamente impiantato. Per tale scopo è stata condotta una campagna di misure sperimentali presso l’Ospedale di Circolo e Fondazione Macchi (Varese), nel quale è installato un acceleratore dell’azienda Varian Medical Systems modello Clinac DHX, presso l’Azienda Sanitaria Universitaria Giuliano Isontina (ASUGI, Trieste) e l’Ospedale San Luca (Lucca), entrambi ospitanti un LINAC Elekta Synergy 3028. Sono stati, quindi, simulati dei realistici piani di trattamento su un fantoccio tipo BOMAB all’interno del quale rivelatori a tracce in CR39 accoppiati a convertitori di carbonato di boro arricchiti al 99% in B-10 sono stati disposti e adoperati per la stima della grandezza di interesse. Inoltre, sono state condotte delle misure volte allo studio della distribuzione spaziale della fluenza neutronica lungo l’asse del fantoccio. Contestualmente, è stato ampliato un modello computazionale della testata dell’acceleratore Elekta Synergy e della sala di trattamento dell’ASUGI con l’aggiunta di un fantoccio atto a riprodurre quello utilizzato durante gli esperimenti e volto a simulare il corpo di un paziente. Tale modello si basa sul codice Monte Carlo MCNP 6.2. Dal confronto tra i risultati sperimentali e i dati riportati in letteratura risulta che la fluenza neutronica termica, a cui un paziente è esposto durante un completo ciclo di radioterapia, non raggiunge valori per cui si è dimostrato sperimentalmente che si possano avere danni permanenti al dispositivo cardiaco (∼10^9 n/cm^2 ), perlomeno nei trattamenti indagati in questo lavoro. Oltre a ciò, è stato dimostrato sia sperimentalmente che tramite simulazioni al calcolatore che lo spettro neutronico non subisce importanti variazioni se misurato in diversi punti all’interno del fantoccio, pur variando le condizioni di irraggiamento.