Towards daily adaptive proton therapy: tolerances evaluation for quality assurance checks and dose back-calculation

Proton therapy presents itself as one of the most performing radiotherapy techniques. It achieves the same results as photon therapy, but with the delivery of less dose to the target volume and a better spare of the organs at risk. Nevertheless, one of the weak nesses is due to the patient’s anatomical changes. To address this problem, the Paul Scherrer Research Institute (PSI) is developing a daily adaptive proton therapy (DAPT) protocol, hence a workflow based on adapting the treatment plan to the patient’s daily anatomy. This thesis work is part of this project and aims to determine the threshold values for quality assurance, essential throughout the adaptation process. Their importance is related to the fact that they allow for clinical approval of the adapted plan to the patient’s new anatomical geometry without requiring time-consuming, demanding, and pricy checks. In this thesis, the results; obtained from the analysis of a set of patients who underwent a daily adaptive proton therapy workflow’s simulation, are reported. In this study, an introductory discussion of radiotherapy and, in particular, classical proton therapy, to be juxtaposed with the daily adaptive protocol, will be given in the first chapter. A description of this protocol developed at the Paul Scherrer Institute follows. The third chapter outlines a review of quality assurance in standard and adaptive proton therapy. The following chapter shows the results obtained during this thesis work. In the fifth chapter, an experiment with an anthropomorphic phantom, to test the adaptive treatment workflow, is described. In the end, some further tasks are proposed for continuing this thesis work. This study has contributed to the research for implementing a daily adaptation protocol in proton therapy. Several challenges still need to be addressed, but clinical approval of such a protocol is getting more realistic.

La protonterapia si presenta come una delle tecniche radioterapiche più preformanti. Consente di ottenere gli stessi risultati della fotonterapia, ma con il rilascio di una mi nore quantità di dose sul volume bersaglio e risparmiando maggiormente gli organi a rischio. Ciononostante, una dei punti di debolezza è dovuto ai cambiamenti anatomici del paziente. Per far fronte a questo problema, l’Istituto di ricerca Paul Scherrer (PSI) sta sviluppando un protocollo di terapia protonica, basato sull’adattamento del piano di trattamento sull’anatomia giornaliera del paziente. Proprio in questo progetto, trova spazio questo lavoro di tesi che si pone l’obiettivo di determinare i valori di soglia per i controlli di qualità indispensabili durante l’intero pro cesso di adattamento. La loro importanza risiede nel fatto che consentono l’approvazione clinica o meno del piano riadattato sulla nuova geometria anatomica del paziente senza richiedere un processo dispendioso in termini di energia e tempo. I risultati ottenuti dall’analisi di un set di pazienti, sottoposti ad una simulazione di un trattamento di riadattamento giornaliero, sono riportati in questa tesi. In questo studio, innanzitutto, si parlerà in maniera introduttiva della radioterapia e in particolare della terapia protonica classica, da giustapporsi alla procedura adattiva giornaliera. nel secondo capitolo, segue una descrizione di tale approccio, sviluppato presso l’Instituto Paul Scherrer. Una revisione sui controlli di qualità, sia nella terapia protonica standard che adattativa, è intrapresa nel terzo capitolo. A ciò segue un capi tolo per mostrare i risultati ottenuti durante questo lavoro di tesi. Nel quinto capitolo, si descrive un esperimento con un fantoccio antropomorfico per testare la modalità di trattamento adattiva. In fine, si propone qualche spunto per la continuazione di questo lavoro di tesi. Con questo lavoro di tesi si è contribuito alla ricerca per la realizzazione di una proce dura di adattamento giornaliero nell’ambito della protonterapia. Diverse sfide devono essere ancora affrontate, ma l’approvazione clinica di tale modalità di trattamento è sempre più vicina.