Multislit collimator characterization and dosimetry measurements for microbeam radiation therapy applications at the ESRF - ID17 biomedical beamline

Microbeam radiation therapy (MRT) is an innovative radiotherapy technique that in the last decades has emerged as promising alternative to conventional radiotherapy ap proaches. It is based on the production of spatially fractionated, highly collimated and high intensity microbeams. Nowadays, optimal radiation sources for the production of microbeams are synchrotron sources as the ID17 biomedical beamline of the European Synchrotron Radiation Facility (ESRF). For the generation of 50 µm wide microbeams spaced by a 400 µm pitch, the most common geometry used in MRT, a multislit collimator (MSC) is necessary. The mechanical properties of the MSC are key factors for the pro duction of an array of parallel and identical microbeams. To control MRT irradiation and ensure treatment reproducibility, elaborated dosimetry protocols have been developed. Differences between measured and simulated dose values in MRT are often above the 3% limit used in conventional radiotherapy for irradiation plan validation and several MRT studies are focusing on possible improvements. Nowadays, two MSCs are available at the ID17 beamline: the CF-H25S+ MSC, present at the beamline since 2009, and a new one, the Densimet MSC, made of a more recent tungsten-based alloy, that is supposed to be more effective than the CF MSC in reducing the transmitted radiation through the MSC blades and thus the delivered dose between adjacent microbeams to the target (valley dose). The aim of this study is to characterize the Densimet MSC and compare it with the CF MSC to assess the improvements during MRT irradiation at the beamline. After the study of the geometry of both MSCs, done measuring the FWHM and the center-to-center distance of the produced array of microbeams, the spectra transmitted by the MSC blades are theoretically calculated using NIST’s data and simulated using Monte Carlo (MC) algorithms. A dosimetry study is conducted to measure the trans mitted radiation through the MSC blade by means of a PTW microdiamond detector and radiochromic film dosimetry is performed to measure the valley dose between mi crobeams delivered to a water-equivalent phantom. MC simulations are compared to measured depth dose profile. ii | Abstract The theoretical and simulated results of the transmitted spectra are in good agreement, as well as the transmitted radiation through a single MSC blade measured with the PTW microdiamond detector. The reduced intensity of the transmitted spectrum is of 65-70% when using the Densimet MSC instead of the CF MSC. 30% reduction of valley dose is observed for film irradiated in air when using the Densimet MSC. Inside the phantom, 10% valley dose reduction for a 20 × 20 mm2 field and 15% valley dose reduction for a 5 × 5 mm2 field is measured when using the Densimet MSC. For valley dose measurements small variations are observed with respect to MC simulated values, probably due to the MSC model that is not considering blades misalignment and therefore it is neglecting the additional scattering component due to photons interacting with the inner walls of the MSC. The results show a significant improvement when using the Densimet MSC. The new MSC is more effective in absorbing the radiation impinging on the collimator blades and consequently in reducing the valley dose delivered to the target. The reduction of the valley dose is a fundamental factor to be considered in MRT and the Densimet MSC is able to better control this parameter during irradiation.

La radioterapia con microfasci (MRT) è un’innovativa tecnica di radioterapia che negli ultimi decenni è emersa come promettente alternativa alla radioterapia convenzionale. Si basa sulla produzione di fasci spazialmente frazionati, altamente collimati e ad alta intensità. Attualmente, sorgenti di radiazioni ottimali per la produzione di microfasci sono sorgenti di sincrotrone come la beamline biomedica ID17 dell’European Synchrotron Radiation Facility (ESRF). Per produrre microfasci larghi 50 µm e distanziati da un passo di 400 µm, geometria più utilizzata in MRT, l’utilizzo di un collimatore multifenditura (MSC) è necessario. Le proprietà meccaniche del collimatore sono fattori fondamentali per produrre una serie di microfasci paralleli ed identici. Per controllare l’irradiazione MRT e garantire la riproducibilità del trattamento, sono stati sviluppati eleborati protocolli di dosimetria. Le differenze tra i valori di dose misurati e simulati per MRT sono in genere ben al di sopra del limite del 3% utilizzato nella radioterapia convenzionale per la convalida del piano di irradiazione e diversi studi condotti sulla MRT si stanno concentrando su possibili miglioramenti. Attualmente sono disponibili due MSC sulla beamline ID17: il CF-H25S+ MSC, presente sulla beamline dal 2009, e uno nuovo, il Densimet MSC, realizzato con una più recente lega a base di tungsteno, che dovrebbe essere più efficace del CF MSC nel ridurre la radiazione trasmessa attraverso le lame del MSC e quindi la dose tra microfasci adiacenti che arriva al campione (dose di valle). Lo scopo di questo studio è caratterizzare il Densimet MSC e confrontarlo con il CF MSC per valutare i miglioramenti durante l’irradiazione MRT presso la beamline. Dopo lo studio della geometria di entrambi i MSC, realizzato tramite la misura della FWHM e della distanza da centro a centro della serie di microfasci prodotta dal collima tore, sono stati calcolati teoricamente gli spettri trasmessi dalle lame del MSC utilizzando i dati del NIST e poi simulati utilizzando algoritmi Monte Carlo (MC). È stato condotto uno studio dosimetrico per misurare la radiazione trasmessa attraverso le lame del MSC per mezzo di un rivelatore a microdiamante PTW ed è stata eseguita la film dosimetria per misurare la dose di valle tra i microfasci che arriva ad un cubo simulante acqua. Le simulazioni MC sono state confrontate con il profilo della dose all’aumentare della profondità. I risultati teorici degli spettri trasmessi sono in buon accordo con quelli simulati, così come la radiazione trasmessa attraverso una singola lama del MSC misurata con il rivelatore a microdiamante PTW. L’intensità ridotta dello spettro trasmesso è di 65-70% quando si utilizza il Densimet MSC al posto del CF MSC. Si può osservare una riduzione del 30% della dose di valle per film irradiati in aria quando si utilizza il Densimet MSC. All’interno del cubo è stata misurata una riduzione della dose di valle del 10% per un campo di dimensioni 20 × 20 mm2 e del 15% per un campo di dimensioni 5×5 mm2 usando il Densime MSC. Nelle misure della dose di valle sono state osservate piccole variazioni rispetto ai valori simulati con MC, probabilmente a causa del modello utilizzato per simulare il MSC che non considera il disallineamento delle lame e dunque trascura l’ulteriore componente di scattering causata dai fotoni che interagiscono con le pareti interne del MSC. I risultati mostrano un significativo miglioramento quando viene utilizzato il Densimet MSC. Il nuovo MSC è più efficace nell’assorbire la radiazione che incide sulle lame del collimatore e di conseguenza nel ridurre la dose di valle che arriva sul campione. La riduzione della dose di valle è un fattore fondamentale da considerare in MRT e il Densimet MSC è in grado di controllare meglio questo parametro durante l’irradiazione.