Characterization of PAGAT polymeric gel for hadron therapy dosimetry

The general principle of radiotherapy consists in delivering high radiation doses to tumoral tissue to destroy or inactivate malign cells following DNA damage. In order to spare the healthy tissue, the delivered dose distribution needs to be conformal to the tumor target and characterized by a very high spatial accuracy and precision. Modern radiotherapy relies on dedicated Treatment Planning System (TPS) software whose calculations need to be validated and verified experimentally prior to actual delivery. With the advent of highly conformal radiotherapy, dosimetry has become even more important in the process of quality assurance (QA) and treatment plan verification. Conventional devices, such as ionization chambers or radiochromic films, have however important limitations due to their 1D or 2D nature which provides only a partial sampling of the whole distributions reducing the measurement resolution. Moreover, most conventional dosimeters are not radiologically tissue equivalent, requiring the application of correction factors to convert the detector measurement to an absorbed dose to the patient. Chemical gel dosimeters are good candidates to improve on these limitations and provide a quantitative 3D dose map for QA pre-treatment dosimetry. The ability of directly measuring complex 3D dose distributions, radiological tissue equivalence and high spatial resolution are among the main promising properties of these dosimeters. Two categories of chemical gel dosimeters can be identified: radiochromic gel dosimeters and polymer gel dosimeters. This thesis work focuses on the characterization of the PAGAT dosimeter, consisting of a polyacrylamide hydrogel with THPC as antioxidant, and investigated its use in Hadron Therapy (HT) dosimetry. HT is a kind of radiotherapy which makes use of accelerated hadrons for the treatment of surgically inoperable or radioresistant tumors. Due to their physical and radiobiological properties, hadrons allow the achievement of a more conformal dose deposition compared to conventional types of radiotherapy, better sparing healthy tissues located around the tumor. Throughout this thesis work, the irradiation session was conducted using monoenergetic proton and carbon ion beams generated by the 25-metre diameter synchrotron accelerator at CNAO (Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica) facility in Pavia (Italy). The characterization phase aimed at verifying a linear dose response and calculate dosimetric parameters at different irradiation conditions. Spectrophotometric cuvettes were uniformly irradiated using monoenergetic protons and carbon ions up to 4 Gy. The dosimeter readout was accomplished via spectrophotometric and Magnetic Resonance Imaging (MRI) measurements, and a good linearity for all investigated doses and temporal stability up to more than two months was confirmed. Volumetric dose mapping was performed using cylindrical phantoms irradiated with proton and carbon ion single-spot beams. Dose deposition was measured using MRI analysis and depth-dose curves and transversal dose distributions were compared to reference profiles. An underestimation of the dose response in the Bragg peak region due to high-LET quenching effect was confirmed in accordance with literature results. The study also found that PAGAT gels could be used for relative dosimetry measurements as the geometrical information of the dose deposition was successfully recorded.

La radioterapia oncologica si basa sul principio di fornire alte dosi di radiazioni al tessuto tumorale per distruggerne o inattivarne le cellule a seguito di danni al DNA. Per non intaccare il tessuto sano, la dose somministrata deve avere una distribuzione il più possibile conforme al bersaglio individuato e deve essere caratterizzata da una precisione e accuratezza spaziale molto elevate. La radioterapia moderna si serve di software per la pianificazione del trattamento i cui calcoli devono essere validati e verificati sperimentalmente prima dell'effettiva somministrazione. Con l'avvento della radioterapia conformazionale, la dosimetria è diventata ancora più importante nel processo di garanzia di qualità e verifica del piano di trattamento. Tuttavia, i dispositivi convenzionali come le camere a ionizzazione o i film radiocromici presentano importanti limitazioni dovute alla loro natura 1D o 2D, la quale fornisce solo un campionamento parziale delle distribuzioni di dose riducendo la risoluzione delle misurazioni. Inoltre, la maggior parte dei dosimetri convenzionali non è tessuto equivalente, richiedendo l'applicazione di fattori correttivi per convertire la misurazione in dose assorbita dal paziente. I dosimetri chimici a gel si presentano come buoni candidati per superare queste limitazioni e fornire una mappatura di dose tridimensionale per la dosimetria di pretrattamento. La capacità di misurare direttamente distribuzioni tridimensionale complesse, la tessuto-equivalenza e l'alta risoluzione spaziale sono tra le proprietà più promettenti. È possibile identificare due categorie di dosimetri chimici a gel: i dosimetri a gel radiocromici e i dosimetri a gel polimerici. Questo lavoro di tesi si concentra sulla caratterizzazione del dosimetro PAGAT, composto da un idrogel di poliacrilammide con THPC come antiossidante, e si è indagato il suo utilizzo nella dosimetria in ambito di adroterapia. L'adroterapia è una forma di radioterapia che utilizza adroni per il trattamento di tumori chirurgicamente inoperabili o radioresistenti. Grazie alle loro proprietà fisiche e radiobiologiche, gli adroni consentono di ottenere una deposizione di dose più conforme rispetto a metodi convenzionali riuscendo maggiormente a non intaccare i tessuti sani vicini al tumore. Nel corso di questo lavoro di tesi, la sessione di irraggiamento è stata condotta utilizzando fasci monoenergetici di protoni e ioni carbonio generati dal sincrotrone da 25 metri di diametro dello CNAO (Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica) a Pavia. La fase di caratterizzazione aveva lo scopo di verificare una risposta lineare alla dose e calcolare i parametri dosimetrici in diverse condizioni di irraggiamento. Cuvette spettrofotometriche sono state irraggiate uniformemente utilizzando fasci monoenergetici di protoni e ioni carbonio fino a 4 Gy. La lettura dei dosimetri è stata effettuata tramite misure spettrofotometriche e risonanza magnetica, confermando una buona linearità per le dosi esaminate e una stabilità temporale oltre i due mesi. La mappatura volumetrica di dose è stata effettuata utilizzando fantocci cilindrici irraggiati con fasci puntuali di protoni e ioni carbonio. La deposizione di dose è stata misurata utilizzando analisi di risonanza magnetica e le curve di dose in profondità e le distribuzioni trasversali sono state confrontate con profili di riferimento. È stata confermata una sottostima della dose nella regione del picco di Bragg a causa dell'effetto di quenching ad alto LET, in accordo con i risultati presenti in letteratura. Lo studio ha inoltre evidenziato che i gel PAGAT possono essere utilizzati per misurazioni dosimetriche relative in quanto le informazioni geometriche della deposizione di dose sono state registrate con successo.