Prompt gamma imaging with a slit camera for range monitoring in carbon ion radiation therapy : a Monte Carlo feasibility study

Today, particle therapy (PT) has become a widely accepted and promising option for tumor treatments, next to surgery, chemotherapy, conventional radiotherapy and emerging immunotherapy. The characteristic dose distribution, culminating at the Bragg peak, is the main advantage of charged particles over photons. However, the intrinsic precision of charged hadrons can be a double-edged sword, as particle range is not exempted from uncertainties, which are closely related to the imperfect knowledge on the patient morphology. For this reason, if the beam is not well localized, it can result in a non-effective treatment of the pathology, putting in danger nearby normal tissues, therefore making the advantageous feature of hadrontherapy not fully exploitable. Due to range uncertainties, safety margins are taken in the treatment planning and this limits the full benefits of PT. To improve the precision and restrain the irradiation of normal tissues, range uncertainties must be reduced. Thus, efforts have been made to develop instruments with the aim to verify the particle range in-vivo with an ideal precision of few millimeters. Different approaches have been investigated to reduce range uncertainty through in-vivo range verification. They can be distinguished in direct methods, based on direct measurement of the depth-dose distribution, and indirect methods, which take advantage of the secondary emission from the patient during treatment. There exists a correlation between the secondary emission and the depth-dose distribution, so that different techniques have been developed in order to monitor the particle range. Prompt emission of high-energy gamma-rays provides a direct and instantaneous signature of the beam range in matter. The use of prompt-gamma (PG) detection to monitor proton range has been already experimentally verified. A prompt gamma imaging (PGI) knife-edge camera, developed by IBA in collaboration with Politecnico di Milano and XGLab, has been applied for the first time clinically for a treatment of a head and neck, with measured inter-fractional global range variations in the order of ± 2 mm. In the recent years, there has been a substantial progress in the application of PGI mostly for what concerns proton therapy. On the other hand, fewer studies have been made in the use of PGI verification within carbon ion radiation therapy (CIRT). Indeed, even if there are undoubted advantages of C-ion over proton and photon therapy, it is also true that the very same factors that make C-ions such interesting may hinder the application of PGI monitoring. For example, although C-ions have a higher yield of prompt gamma production with respect to protons, they also have a higher neutron yield. In addition to this, for ions heavier than protons, the number of incident projectiles needed to provide a given physical dose is smaller than for protons, due to the 1/Z^2 dependence of the energy loss (Z being the atomic number) and the lower multiple scattering angle of heavier ions. Moreover, the Relative Biological Effectiveness (RBE) leads to a further reduction of the number of ions necessary to deliver the desired biological dose with higher-Z ions. Therefore, the total number of generated PGs for a given pencil beam spot is lower when considering heavier ions. This strongly affects the counting statistics of PGs. The final goal of this work is to explore the PG fall-off retrieval capability in CIRT with a well-established slit camera configuration, already tested clinically with proton irradiation. The current thesis is divided in five main chapters. Chapter One discusses the current state-art-of-the-art of particle therapy, considering the currently adopted particles in treatments and the ones which are supposed to have a bright future, according to literature. Moreover, the main technologies for ion acceleration are presented. Lastly, the Physics models on the interaction between charged hadrons and matter are revised, along with a section concerning radiation detection. Chapter Two includes more specific topics to the problem faced in this thesis work. A review of the most promising range verification methods are outlined, giving the preference to the family of techniques to which the one chosen for this work belongs. From the sources of range uncertainty, which is first cause moving this thesis, I will come to needs and challenges in prompt gamma monitoring. Chapter Three, the heart of the present work, includes, based on Monte Carlo simulations, a preliminary study on secondary emission from an irradiated target and a detailed study on the feasibility to apply the prompt gamma imaging technique in carbon ion radiation therapy. Chapter Four will briefly describe the electronics design of a platform that will be part of the experimental set-up, trying to prove the results obtained in chapter three. Finally, Chapter Five includes conclusions and future developments for the topics treated in this thesis.

Negli ultimi decenni, la terapia particellare è diventata un'opzione ampiamente accettata e promettente per trattamenti tumorali, accanto alla chirurgia, alla chemioterapia, alla radioterapia convenzionale e all'emergente immunoterapia. La caratteristica distribuzione di dose, che culmina con il picco di Bragg, è il principale vantaggio delle particelle cariche rispetto ai fotoni. Tuttavia, la precisione intrinseca degli adroni carichi può essere un'arma a doppio taglio, poiché il range delle particelle usate nei trattamenti non è esente da incertezze, strettamente correlate alla conoscenza imperfetta della morfologia del paziente. Per questo motivo, se il fascio non è ben localizzato, il trattamento potrebbe non essere efficace, mettendo in pericolo i tessuti sani vicini alla zona tumorale perdendo, dunque, la caratteristica vantaggiosa degli adroni carichi. A causa delle incertezze sul range, tipici margini di sicurezza sono considerati nella pianificazione del trattamento, limitando i benefici della terapia. Per migliorare la precisione e ridurre l'irraggiamento dei tessuti sani, numerevoli sforzi sono stati compiuti nel sviluppare strumenti con l'obiettivo di verificare in-vivo il range delle particelle di trattamento con una precisione ideale di pochi millimetri. I diversi approcci studiati possono essere distinti in metodi diretti, basati sulla misura della distribuzione della curva profondità-dose, e metodi indiretti, che sfruttano l'emissione secondaria dal paziente durante il trattamento. Esiste una correlazione tra l'emissione gamma secondaria e la distribuzione profondità-dose, che ha dato il via allo sviluppo di diverse tecniche per monitorare il range. L'emissione di raggi gamma ad alta energia fornisce una firma diretta e istantanea sulla profondità raggiunta dal fascio nella materia. L'uso della rivelazione di gamma pronti per monitorare il range di protoni è già stato verificato sperimentalmente. Un camera a knife-edge, sviluppata da IBA in collaborazione con il Politecnico di Milano e XGLab, è stata applicata per la prima volta in sede clinica per il trattamento di un tumore alla testa e al collo, con variazioni del range globale per un frazione di dose nell'ordine di 2mm. Negli ultimi anni si è registrato un notevole progresso nell'applicazione del prompt gamma imaging soprattutto per quanto riguarda la terapia protonica. D'altra parte, sono stati effettuati meno studi nell'uso della stessa tecnica nell'ambito della radioterapia con ioni carbonio (CIRT). Infatti, anche se ci sono indubbi vantaggi di questi ioni rispetto a protoni e fotoni, è anche vero che gli stessi fattori che rendono gli ioni carbonio così interessanti ostacolano l'applicazione del monitoraggio attraverso imaging di gamma pronti. Ad esempio, anche se gli ioni C hanno un resa di produzione gamma più elevata rispetto ai protoni, hanno anche un resa neutronica più elevata. Inoltre, per ioni pesanti, il numero di particelle incidenti necessari per fornire una data dose è più piccolo che per protoni, a causa della dipendenza 1/Z^2 della perdita di energia (dove Z è il numero atomico) e dell'angolo di scattering multiplo inferiore per ioni più pesanti. Inoltre, all'aumentare del numero atomico, l'efficacia biologica relativa (RBE) porta ad un'ulteriore riduzione del numero di ioni necessari a rilasciare la dose biologica desiderata. Pertanto, il numero totale di gamma pronti generati per un dato pencil beam spot è inferiore se si considera ioni più pesanti. Ciò influisce fortemente sulla statistica di conteggio dei gamma pronti. L'obiettivo finale di questo lavoro è esplorare la capacità di ricavare eventuali variazione del range di particelle nella CIRT, utilizzando una camera a configurazione knife-edge, simile a quella già testata clinicamente per protoni. La seguente tesi è divisa in cinque capitoli. Il primo capitolo illustra l'attuale stato dell'arte della terapia particellare, considerando le particelle attualmente adottate nei trattamenti e quelle che si suppone abbiano un futuro brillante, secondo la letteratura scientifica. Vengono inoltre presentate le principali tecnologie per l'accelerazione di ioni. Infine, i modelli di fisici sull'interazione tra adroni carichi e materia sono riportati, insieme ad una sezione riguardante la rivelazione di radiazioni. Il secondo capitolo include argomenti più specifici sul problema affrontato in questo lavoro di tesi. Viene delineata una rassegna dei più promettenti metodi di verifica del range, dando la precedenza alla famiglia di tecniche a cui appartiene quella scelta per questo lavoro. Dalle sorgenti di incertezza, che è la prima causa che muove questa tesi, si considerano le esigenze e le sfide nel monitoraggio di gamma pronti. Il terzo capitolo, cuore di questo lavoro, comprende, sulla base delle simulazioni Monte Carlo, uno studio preliminare sull'emissione secondaria a seguito dell'irraggiamento di un target e uno studio dettagliato sulla fattibilità di applicare la tecnica di prompt gamma imaging nella radioterapia con ioni carbonio. Il quarto capitolo descriverà brevemente la progettazione di una piattaforma elettronica che farà parte del set-up sperimentale per dimostrare i risultati ottenuti nel terzo capitolo. Infine, il quinto capitolo include conclusioni dei risultati ottenuti e sviluppi futuri che sono il naturale continuo di questo lavoro di tesi.