Enhancing count rate capability in a detector for BNCT dose monitoring: feasibility study and board design

Radiotherapy and hadrontherapy are well-established cancer treatments that use targeted radiation and particles, respectively, to destroy cancerous cells. In recent years, new therapies have emerged, offering unique and effective approaches to combat this disease. One of the most promising is Boron Neutron Capture Therapy (BNCT), which offers the unique advantage of targeting cancerous cells with a selectively at the cellular level. BNCT involves introducing boron-containing compounds into the body, which selectively accumulate in cancer cells. When exposed to a neutron beam, the boron atoms undergo a capture reaction that produces high-energy particles, effectively destroying the cancer cells while minimizing damage to healthy tissue. Recent advancements in neutron-producing accelerators have driven the rapid expansion of BNCT, leading to the establishment of new clinical facilities around the world. A major challenge in BNCT is real-time monitoring of the dose delivered to patients. To address this, a previous study developed the BeNEdiCTE detector, designed to monitor dose levels via SPECT imaging by capturing 478 keV gamma rays emitted during the neutron-boron reaction. However, in clinical environments with high neutron fluxes, detectors can be overwhelmed by the high gamma-ray event rates. Since all detectors require brief time intervals to process each event before capturing the next, these processing delays can result in missed signals. In this context, this thesis aims to evaluate and enhance BeNEdiCTE’s performance to ensure it can handle the higher event rates typical of clinical BNCT facilities. The initial phase involved experimentally assessing the detector’s current capabilities to identify its limitations in managing high event rates. Tests were conducted in a small research facility under varying rate conditions, revealing challenges as event rates increased. Based on this analysis, a new electronics board was designed with new high-speed components to improve BeNEdiCTE’s rate-handling capacity, with a specific focus on reducing processing delays. This involved careful component selection, circuit design, and PCB development, all while ensuring compatibility with the existing system to maintain seamless integration. Preliminary results from this thesis indicate that the redesigned electronics may enable BeNEdiCTE to handle twice the previous event rate accurately. This improvement allows BeNEdiCTE to provide reliable, real-time monitoring even in the high-rate conditions typical of clinical BNCT facilities. These findings highlight the potential of this enhanced system to increase dose monitoring precision in demanding environments, supporting the safe and effective application of BNCT.

La radioterapia e l’adroterapia sono terapie consolidate per il trattamento del cancro che utilizzano radiazioni mirate e particelle per distruggere le cellule tumorali. Negli ultimi anni, sono emerse nuove terapie che offrono approcci innovativi ed efficaci per la cura del cancro. Una delle più promettenti è la Boron Neutron Capture Therapy (BNCT), che offre il vantaggio unico di colpire le cellule tumorali con una selettività a livello cellulare. La BNCT è un tipo di trattamento oncologico che si basa sull’introduzione di composti contenenti boro nel corpo del paziente, i quali si accumulano selettivamente nelle cellule tumorali. Quando esposti a un flusso di neutroni, gli atomi di boro vanno incontro ad una reazione di cattura che produce particelle ad alta energia, le quali distruggono le cellule tumorali, minimizzando il danno alle cellule sane circostanti. Recenti progressi nello sviluppo di acceleratori per la produzione di neutroni hanno favorito la rapida espansione della BNCT, portando alla creazione di nuove strutture cliniche in tutto il mondo. Una delle principali sfide nella BNCT è il monitoraggio in tempo reale della dose somministrata ai pazienti. Per affrontare questa problematica, uno studio precedente ha sviluppato il rivelatore BeNEdiCTE, progettato per monitorare i livelli di dose tramite imaging SPECT, catturando i raggi gamma con energia di 478 keV emessi durante la reazione neutroni-boro. Tuttavia, in ambienti clinici con alti flussi di neutroni, i rilevatori possono essere sopraffatti dall’elevata frequenza degli eventi gamma. Poiché tutti i rilevatori richiedono brevi intervalli di tempo per elaborare ogni evento prima di catturare il successivo, questi ritardi di elaborazione possono portare a perdere segnali. In questo contesto, il presente lavoro di tesi mira a valutare e migliorare le prestazioni di BeNEdiCTE per garantire che possa gestire il numero elevato di eventi tipico delle strutture cliniche per BNCT. Inizialmente, è stata condotta una valutazione sperimentale delle capacità attuali del rivelatore per identificarne i limiti nella gestione di un numero di eventi elevato. I test sono stati condotti in una piccola struttura di ricerca in condizioni di frequenza di eventi variabile, rivelando difficoltà con l’aumentare della frequenza. Sulla base di questa analisi, è stata progettata una nuova scheda elettronica con componenti ad alta velocità per migliorare la capacità di gestione del flusso di eventi di BeNEdiCTE, con particolare attenzione alla riduzione dei ritardi di elaborazione. Questo ha comportato una selezione accurata dei componenti, la progettazione del circuito e lo sviluppo della scheda, assicurando al contempo la compatibilità con il sistema esistente per garantire un’integrazione priva di problemi. I risultati preliminari di questa tesi indicano che l’elettronica riprogettata può permettere a BeNEdiCTE di gestire con precisione una frequenza di eventi doppia rispetto a quella precedente. Questo miglioramento consente a BeNEdiCTE di fornire un monitoraggio affidabile in tempo reale anche nelle condizioni critiche tipiche delle strutture cliniche per BNCT. Questi risultati evidenziano il potenziale di questo sistema migliorato per aumentare la precisione nel monitoraggio della dose in ambienti impegnativi, sostenendo l’applicazione sicura ed efficace della BNCT.