A system for verifying the repeatability of dose delivery based on simultaneous acceleration of Helium and Carbon ions

The use of ion radiation therapy for tumor treatment is increasing worldwide. Compared to photons, ions allow for better biological effectiveness and dose conformity. However, uncertainties in dose distribution can result in either insufficient dose to the tumor or excessive dose to surrounding healthy tissue. Therefore, ion therapy is highly sensitive to patient movement. The purpose of this study is to investigate a technique for real-time verification of patient position during treatment. The nuclei of 12C and 4He have the same magnetic rigidity, allowing for the joint acceleration of both species to create a mixed beam of helium and carbon directed to the patient. Considering the same energy per nucleon and the same crossed medium, the range of helium is approximately three times that of carbon. The density and/or thickness of the patient can be evaluated by measuring the residual range of exiting helium particles, in order to verify whether they match the expected values. This allows for verification of patient position. A detector based on a plastic scintillator combined with an sCMOS camera has been studied for measuring helium particle residual range, by observing the scintillation light. Tests were carried out to understand the performance and functionality of a new measurement system, compared to previous studies carried out by Mazzucconi et al., thus defining an acquisition methodology, and setting optimal parameters for the optical system. Such a measurement system involves the presence of optical effects that require correction. Therefore, the proposed corrections of the optical effects in the previous work were validated, introducing appropriate variations to adapt them to the set acquisition parameters. It was demonstrated that the system can detect variations in dose distribution with millimetric precision.

La radioterapia con ioni per il trattamento dei tumori è in aumento in tutto il mondo. Gli ioni consentono una migliore efficacia biologica e conformità della dose rispetto ai fotoni. Tuttavia, l’incertezza nella distribuzione della dose può portare ad un sottodosaggio al tumore o a una dose eccessiva ai tessuti sani circostanti. Per questo motivo, la terapia con ioni è altamente sensibile al movimento del paziente. Lo scopo di questo studio è quello di esaminare una tecnica per la verifica in tempo reale della ripetibilità di erogazione della dose durante le sedute di trattamento. I nuclei di 12C e 4He hanno la stessa rigidità magnetica, consentendo l’accelerazione congiunta delle due specie per creare un fascio misto di elio e carbonio diretto al paziente. Alla stessa energia per nucleone e nello stesso mezzo, il range dell’elio è circa tre volte quello del carbonio. È possibile quindi progettare un fascio in cui il carbonio deposita la dose al paziente mentre l’elio la attraversa completamente. Misurando il range residuo delle particelle di elio in uscita, è possibile valutare la densità e/o lo spessore del paziente per verificare che siano conformi ai valori previsti. Ciò consente la verifica della posizione del paziente. È stato studiato un rivelatore basato su uno scintillatore plastico combinato con una sensore sCMOS per la misura delle particelle di elio. Osservando la luce di scintillazione è possibile misurare il range residuo dell’elio. Sono stati effettuati test per comprendere le prestazioni e le funzionalità del nuovo sistema di misura impiegato per la rilevazione, rispetto a quello precedentemente utilizzato. È stata definita una metodologia di acquisizione e sono stati impostati parametri ottimali per il sistema ottico. Un sistema di misura di questo tipo comporta la presenza di effetti ottici quali rifrazione, prospettiva e riflessione, che necessitano correzione. Sono quindi state validate le correzioni degli effetti ottici proposte nel precedente lavoro, introducendo opportune variazioni in maniera tale che queste si adattassero ai parametri di acquisizione impostati. Sì è dimostrato come il sistema possa rilevare variazioni nella distribuzione di dose con precisione millimetrica.