Dosimetric challenges in radiotherapy: radiochemical and computational approaches

Radiation metrology plays a fundamental role in ensuring the quality of modern radiotherapy (RT) treatments. Without their dosimetric counterpart, ever improving and advanced technical approaches adopted for RT cannot be exploited to their full potential. Nowadays, dedicated and customizable dosimetric approaches are in fact often required. In particular, this research activity was focused on the fields of patient-specific quality assurance (PSQA) in external beam radiotherapy, and on the computational dosimetry of intraoperative radiotherapy treatments. A gel dosimetry system based on an innovative formulation of polymer gel dosimeter and related MRI analysis protocol was developed and optimized in order to fulfill the scopes of 3D PSQA. The introduction of polymerization inhibitors to the literature composition of a polyacrylamide-based gel allowed to establish a range of response linearity well suited to the needs of PSQA. Spatial and temporal stability of the gel were characterized via volumetric phantoms, providing excellent results with a very high 3D spatial resolution. The performance of the gel dosimetry system was then assessed by performing acquisitions of 60 actual treatment plans. Resulting data were compared to equivalent results obtained with a commercial dosimeter, serving as a gold standard. Results indicate that data collected by gel phantoms are in good agreement with the reference system, especially in terms of relative dosimetry. Further optimizations may be sought in order to improve the reliability of absolute dose evaluations, which nonetheless appear very promising. In the field of intraoperative electron RT (IOERT) a dosimetric characterization of a dedicated linac was performed via a Monte Carlo approach. Excellent agreement between simulated and experimentally determined dose profiles validated the implementation of the problem. The study of the dosimetric influence introduced by radiation shielding disks and applicator boli was undertaken with particular regard to their volumetric effect. Collected data indicate that the presence of radiation shielding disks can result in significant deformation of the reference dose geometry. However, their backscattering effect may also be regarded as beneficial, possibly aiding in improving target coverage. The use of applicator boli presented unequivocal dosimetric advantages, indicating that their universal use should be considered. A characterization of representative skin dose values to be expected in IOERT treatments was also conducted, highlighting the influence of field size and applicator bevel on patient exposure. The efficacy of shielding devices was studied with the goal of identifying suitable means of optimizing the radiological protection of the patient.

La metrologia delle radiazioni ricopre un ruolo fondamentale nel garantire la qualità dei trattamenti radioterapici. Senza un adeguato supporto dosimetrico, non è infatti possibile sfruttare a pieno il grande potenziale offerto dai recenti progressi della tecnica. A tale scopo, approcci dosimetrici dedicati sono infatti spesso necessari. In particolare, l’attività di ricerca presentata è incentrata sui campi della garanzia di qualità pre-trattamento in radioterapia a fasci esterni, e sulla dosimetria computazionale in radioterapia intraoperatoria. Un sistema dosimetrico a gel basato su una formulazione innovativa di gel polimerico, corredato da un protocollo di analisi tramite imaging di risonanza magnetica è stato sviluppato e ottimizzato per rispondere alle necessità della dosimetria pre-trattamento. La composizione di riferimento riportata in letteratura di un gel dosimetrico a base di acrilammide è stata modificata tramite l’utilizzo di inibitori di polimerizzazione al fine di estenderne il range di risposta lineare, compatibilmente con le necessità di misura tipiche dei trattamenti in esame. La stabilità temporale e spaziale di questa formulazione sono state testate tramite fantocci volumetrici, i quali hanno evidenziato un’eccellente risoluzione spaziale del gel. La performance del sistema dosimetrico è stata quantificata effettuando verifiche di pre-trattamento su 60 piani di trattamento reali. I dati così ottenuti sono stati confrontati con i corrispettivi ottenuti attraverso un sistema dosimetrico commerciale, considerato come gold standard. I risultati raccolti tramite fantocci a gel hanno evidenziato un buon accordo con il sistema di riferimento, soprattutto in termini di dose relativa. Ulteriori ottimizzazioni possono essere perseguite al fine di migliorare l’affidabilità delle misure di dose assoluta, che comunque si sono rivelate molto promettenti. Un approccio tramite metodo Monte Carlo è stato adottato per la caratterizzazione dosimetrica di un acceleratore dedicato per trattamenti intraoperatori. L’implementazione del setup è stata validata attraverso il confronto tra profili di dose simulati con corrispondenti dati ottenuti sperimentalmente. L’effetto dosimetrico derivante dall’uso di dischi di radioprotezione e boli è stato studiato dal punto di vista tridimensionale. I dati ottenuti hanno evidenziato come la presenza dei dischi di radioprotezione può portare a delle deformazioni dei profili di dose in condizioni di riferimento. In alcune condizioni, il loro effetto di backscattering può tuttavia essere ritenuto anche beneficiale al fine di migliorare la copertura del bersaglio. L’impiego di boli è risultato inequivocabilmente vantaggioso da un punto di vista dosimetrico. Questo risultato supporta un loro impiego universale in questo tipo di trattamenti. Infine, è stata effettuata una caratterizzazione di valori tipici di dose assorbita a livello cutaneo. Questa ha permesso di identificare relazioni tra dimensioni del campo di trattamento e inclinazione dell’applicatore con l’esposizione risultante. L’efficacia di schermature specifiche da impiegare in contesto intraoperatorio è stata investigata con l’obiettivo di ottimizzare la protezione radiologica del paziente.