Solid-state microdosimetry in the spread-out Bragg peak of 148 MeV protons at the Trento Proton Therapy Centre

A spread-out Bragg peak of a 148 MeV proton beam available at the Trento Proton Therapy Centre has been studied using a pixelated silicon microdosimeter based on the Monolithic Telescope technology. The detector is composed of a 2 µm thick ∆E stage to measure the lineal energy of the impinging protons and a 500 µm thick stage to collect their residual energy. Measurements were performed at eleven different positions moving across the SOBP of the 148 MeV proton beam in water with the aim of comparing the results with the ones obtained with a reference miniaturized Tissue Equivalent Proportional Counter (mini-TEPC) that exploited the same irradiation set-up. The microdosimetric distributions in frequency and dose f(y) and d(y) have been derived and analyzed, and also used to calculate the microdosimetric mean quantities y¯ (frequency-mean lineal energy), y¯D (dose-mean lineal energy) and microdosimetric releative biological effectiveness RBEµ. Microdosimetric RBE has been computed using the Loncol biological weighting function r(y) and the values obtained were compared with the traditionally used constant value of RBE = 1.1. The distributions measured with the Monolithic Silicon detector are in good agreement to the ones obtained with the reference TEPC at high water equivalent depths, where the spectrum is shifted toward higher lineal energies. On the contrary, some differences are noticeable at the entrance of the SOBP due to the high detection threshold that makes the reconstructed distribution much less precise.

In questo lavoro è stato studiato lo Spread-out Bragg Peak (SOBP) di un fascio di protoni da 148 MeV, impiegato in ricerca presso il Centro di Terapia Protonica di Trento, usando un microdosimetro pixelato basato sulla tecnologia del telescopio al silicio. Il rivelatore è composto da uno stadio ∆E spesso 2 µm utile a misurare l’energia lineale dei protoni incidenti, e un secondo stadio spesso 500 µm è invece usato in coincidenza per misurare l’energia residua delle particelle incidenti. Le misure sono state effettuate in undici posizioni diverse muovendosi lungo lo SOBP del fascio, con l’obiettivo di confrontare i risultati con quelli ottenuti da un Tissue-Equivalent Proportional Counter miniaturizzato (mini-TEPC) usato come riferimento, che ha sfruttato lo stesso set-up di irragiamento. Le distribuzioni microdosimetriche, rispettivamente di frequenza e dose, f(y) e d(y) sono state derivate, analizzate, e utilizzate per calcolare le grandezze medie microdosimetriche y¯ (energia lineale media), y¯D (energia lineale media di dose) e l’efficacia biologica relativa microdosimetrica (RBEµ). L’RBE microdosimetrico è stato calcolato utilizzando la funzione biologica di peso r(y) di Loncol e i valori ottenuti sono stati confrontati con il valore costante tradizionalmente utilizzato di RBE = 1,1. Le distribuzioni misurate con il Monolithic Silicon detector sono in buon accordo con quelle ottenute con il TEPC di riferimento a spessori elevati di acqua equivalente, dove lo spettro si distibuisce su alti valori di energia lineale. Al contrario, alcune differenze sono evidenti all’inizio della curva di dose, nella parte iniziale dello SOBP a causa dell’elevata soglia di rivelazione che rende più difficile la ricostruzione della distribuzione microdosimetrica.