A spectroscopic and imaging detector towards SPECT systems for BNCT dose monitoring

Traditional X-ray radiotherapy is increasingly being sidelined by high- energy charged particles irradiation techniques, for the treatment of various types of tumours. These new techniques result in a precise high-dose delivery to the tumour area, reducing the risk to surrounding healthy tissues. Neutrons allow a highly selective therapeutic modality when used in neutron capture therapy (NCT), providing additional advantages due to their higher relative biological effectiveness (RBE). The working principle of NCT is to explot the high thermal neutron cross-section of specific nuclides, loaded in the target to damage the tumour volume. Boron Neutron Capture Therapy (BNCT) arises from these considerations. A radiopharmaceutical containing 10B is conveyed to the tumour area and irradiated with thermal (or epithermal) neutrons. The capture reaction produce high Linear Energy Transfer (LET) particles, which deposit the total therapeutic dose at cellular level, and γ-rays emitted at highly specific energies that exit the patient’s body. Since these γ-rays are emitted in-situ, and their emission rate is proportional to the neutron capture reaction rate, their detection opens the possibility to monitor and quantify the delivered radiation dose and its distribution real-time during the therapy. For this purpose, dedicated tomographic imaging systems based on SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography) have been proposed, but never made. The goal of this thesis project is to evaluate the feasibility of a BNCT- SPECT system, integrating the already designed and developed detection module BeNEdiCTE (Boron NEutron CapTurE), capable of detecting the neutron-capture gamma photons, to be used also as an imager. To exploit the spectroscopic and imaging capabilities of our detection system is necessary to reduce the irradiation background noise, designing a collimator and shielding systems for residual thermal neutrons. The thesis is organized as follows: • Chapter 1 presents a brief introduction on neutron interaction with matter, underlining the reactions that originate from the interaction between thermal and epithermal neutrons and the atoms that con- stitute biological tissue. Then neutron capture therapy is described, focusing in particular on the boron neutron capture. Finally, our study of a SPECT system for real time dose monitoring, will be briefly presented, highlighting its advantages compared to the state of art. • Chapter 2 describes the detection system structure, consisting of a LaBr3(Ce+Sr) scintillator crystal, 64 NUV-HD SiPMs, and a DAQ system. The readout system will be presented, highlighting differ- ences with respect to the previous version. A final section is dedi- cated to experimental measurements that analyzed the spectroscopic capabilities of the detector. • Chapter 3 reports a feasibility study for the development of a col- limator to be used in a BNCT-SPECT system. Starting from the state of art up to the realization of a prototype validated through simulations. • Chapter 4 contains the analytical estimation of the feasibility of a BNCT-SPECT system with the proposed detector and collimator. This study evaluates the detection efficiency of the whole system and the statistical accuracy of the counts in a clinical situation. • Chapter 5 describes the use of Convolutional Neural network (CNN) to reconstruct the γ-rays position of interaction. Starting with a gen- eral overview of the state of the art and the general mechanism of training in deep learning, ending up with the network choice, data preparation and the obtained results. • Chapter 6, lastly, presents a summary of the results and gives a view of the future perspective and challenges of the developed system.

La radioterapia tradizionale con i raggi X è, sempre più frequentemente, sostituita da tecniche di irraggiamento che utilizzano particelle ad alta energia, per il trattamento di vari tipi di tumore. Queste portano ad un preciso rilascio di alti valori di dose nella zona tumorale, riducendo il rischio di coinvolgere anche i tessuti sani circostanti. I neutroni permettono di ottenere tecniche terapeutiche altamente selettive quando usati nelle terapie di cattura neutronica (NCT), fornendo anche un vantaggio dato della loro elevata Efficacia Biologica Relativa (RBE). Le NCT sfruttano le alte sezioni trasversali di cattura per i neutroni termici di alcuni nuclidi, che caricati nel target vanno a danneggiare il volume tumorale. La Terapia di Cattura Boro Neutroni (BNCT) nasce da queste considerazioni. Un radiofarmaco contenente 10-B è veicolato verso la zona tumorale dove viene irradiato da neutroni termici (o epitermici). La reazione di cattura produce particelle ad alto coefficiente di Trasferimento di Energia Lineare (LET), che depositano il totale della dose terapeutica a livello cellulare, e raggi γ ad energia precisa che escono dal corpo del paziente. Considerando il fatto che i raggi γ sono generati in situ, e la loro emissione è proporzionale al numero di reazioni di cattura neutronica avvenute, la loro rilevazione offre la possibilità di monitorare e quantificare la dose depositata e la sua distribuzione in tempo reale durante la terapia. A questo proposito, sistemi dedicati di imaging tomografico basati sulla SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography) sono stati teorizzati, ma non ancora realizzati. Lo scopo di questo progetto è quello di valutare la fattibilità di un sistema di BNCT-SPECT, integrando un modulo di rilevazione gamma già progettato e sviluppato, BeNEdiCTE (Boron NEutron CapTurE), e utilizzarlo come imager. Per sfruttare le capacità di spettroscopia e di imaging del dispositivo è necessario ridurre il rumore di fondo, sviluppando un collimatore e sistemi di schermatura dai neutroni termici. La tesi è organizzata come segue: • Capitolo 1 presenta una breve introduzione sull’interazione dei neutroni con la materia, sottolineando le reazioni originate dall’interazione di neutroni termici e epitermici con gli atomi presenti nei tessuti biologici. Viene poi descritta la terapia di cattura neutronica, riferendosi prevalentemente alla cattura del boro. Infine, viene presentato brevemente il nostro studio per la realizzazione di un sistema di SPECT per il monitoraggio in tempo reale della dose sottolineandone i vantaggi rispetto alla stato dell’arte. • Capitolo 2 descrive la struttura del sistema di rilevazione, costituito da un cristallo scintillatore in bromuro di lantanio co-doped, LaBr3(Ce+Sr), e un sistema di acquisizione dati (DAQ). Viene quindi presentato il sistema di lettura sottolineando le differenze con la versione precedente. La parte finale riguarda l’analisi di misure sperimentali per la valutazione delle capacità spettroscopiche del nuovo rilevatore. • Capitolo 3 riporta uno studio di fattibilità sullo sviluppo di un collimatore da utilizzare in BNCT-SPECT, iniziando dallo stato dell’arte fino alla realizzazione di un primo prototipo validato attraverso simulazioni. • Capitolo 4 contiene una stima analitica della fattibilità del sistema SPECT per BNCT, realizzato con il rilevatore e il collimatore precedentemente proposti. Questo studio valuta l’efficienza di rilevazione dell’intero sistema e l’accuratezza statistica dei conteggi in uno scenario clinico. • Capitolo 5 descrive l’utilizzo di reti neurali convoluzionali (CNN) per la ricostruzione del punto di interazione dei raggi γ. Si parte da una panoramica generale dello stato dell’arte e dei meccanismi di allenamento nel deep learning, terminando con la scelta della rete, la preparazione dei dati e i risultati ottenuti. • Capitolo 6, infine, passa in rassegna i risultati ottenuti e riporta le possibile sfide e sviluppi futuri del sistema sviluppato.