Optimization strategies for prompt gamma detection in hadrontherapy: a Monte Carlo feasibility study

Hadrontherapy offers highly localized dose deposition through the Bragg Peak phenomenon, enabling effective tumour targeting while sparing surrounding healthy tissues. However, uncertainties in predicting the particle beam range within heterogeneous patient anatomy remain a major limitation, leading to the adoption of conservative safety margins. Among the various approaches investigated for real-time in-vivo range verification, prompt gamma (PG) detection has emerged as one of the most promising techniques due to its immediate emission upon beam–tissue interaction and its immunity to biological washout. This thesis is embedded within the broader effort to develop clinically viable PG-based range verification systems and focuses on improving PG signal visibility by suppressing background radiation. In particular, the study investigates Monte Carlo-based optimization of shielding configurations for the detection system with the goal of reducing unwanted contributions from secondary particles, especially neutrons, originating from the phantom and the treatment room environment. The work aims to contribute to the development of range verification technologies that are compatible with clinical constraints, offering the potential for accurate and real-time beam monitoring in hadrontherapy. The current thesis is divided in seven main chapters. Chapter 1 introduces the clinical relevance of cancer and reviews current treatment modalities, highlighting the potential of particle therapy and the importance of real-time in-vivo range verification systems. Chapter 2 provides the theoretical foundations of the thesis, covering the physics and radiobiology of hadrontherapy. Chapter 3 explores range uncertainties in particle therapy, discusses current mitigation strategies and reviews monitoring techniques based on prompt gamma detection. Chapter 4 is dedicated to comparing the results of FLUKA Monte Carlo simulations with those from a Geant4-based benchmark study on prompt gamma emissions. Chapter 5 presents a simulation study evaluating prompt gamma imaging with a knife-edge slit camera and the design of shielding to reduce neutron background. Chapter 6 compares FLUKA simulations with measurements acquired at CNAO in a proton therapy setup. Chapter 7 includes conclusions and future developments for the topics treated in this master thesis.

L’adroterapia consente una deposizione altamente localizzata della dose grazie al fenomeno del Bragg Peak, permettendo un’irradiazione efficace del tumore e al contempo la salvaguardia dei tessuti sani circostanti. Tuttavia, le incertezze nella previsione della profondità di penetrazione del fascio di particelle all’interno di anatomie eterogenee del paziente rappresentano una limitazione significativa che porta all’adozione di margini di sicurezza conservativi. Tra i diversi approcci studiati per la verifica in tempo reale e in vivo della profondità di penetrazione del fascio, la rilevazione dei prompt gamma (PG) si è affermata come una delle tecniche più promettenti grazie alla loro emissione istantanea in seguito all’interazione tra il fascio e i tessuti e alla loro immunità al washout biologico. Questa tesi si inserisce nel più ampio contesto di sviluppo di sistemi di verifica della profondità di penetrazione basati sui prompt gamma, clinicamente applicabili, e si concentra sul miglioramento della rivelabilità del segnale PG tramite la soppressione della radiazione di fondo. In particolare, lo studio analizza l’ottimizzazione, tramite simulazioni Monte Carlo, delle configurazioni di schermatura attorno al rivelatore, con l’obbiettivo di ridurre i contributi indesiderati da particelle secondarie, in particolare neutroni, generati dal fantoccio e dall’ambiente della sala di trattamento. Il lavoro mira a contribuire allo sviluppo di tecnologie di verifica della profondità di penetrazione compatibili con i vincoli clinici, offrendo il potenziale per un monitoraggio accurato e in tempo reale del fascio in adroterapia. La presente tesi è suddivisa in sette capitoli principali. Il Capitolo 1 introduce la rilevanza clinica del cancro e fornisce una panoramica delle attuali modalità terapeutiche, mettendo in evidenza il potenziale della terapia con particelle e l’importanza di sistemi di verifica in-vivo in tempo reale della profondità di penetrazione. Il Capitolo 2 fornisce le basi teoriche della tesi, illustrando i principi fisici e radiobiologici della adroterapia. Il Capitolo 3 analizza le incertezze sulla profondità di penetrazione nella terapia con particelle, discute le attuali strategie di mitigazione e passa in rassegna le tecniche di monitoraggio basate sulla rivelazione dei prompt gamma. Il Capitolo 4 è dedicato al confronto tra i risultati delle simulazioni Monte Carlo con FLUKA e quelli di uno studio di riferimento basato su Geant4 relativo all’emissione di prompt gamma. Il Capitolo 5 presenta uno studio numerico sull’impiego di una camera con fessura a lama per la visualizzazione dei prompt gamma, includendo la progettazione di una schermatura per ridurre il fondo neutronico. Il Capitolo 6 confronta i risultati delle simulazioni FLUKA con misure effettuate presso il CNAO in un contesto di terapia con protoni. Il Capitolo 7 contiene le conclusioni e le prospettive future sui temi affrontati in questa tesi magistrale.