Microdosimetric insights: neutron capture enhancement and RBE variability in proton therapy

This thesis investigates the microdosimetric and radiobiological aspects of proton therapy using Geant4 simulation toolkit. It focuses on Neutron Capture Enhanced Particle Therapy (NCEPT) and the variation of relative biological effectiveness (RBE) along the proton Bragg Peak (BP). This work is motivated by the necessity to establish a link between physical dose distributions and their biological effects, with the aim of improving the assessment of radiation quality and its impact on cancer treatment. The model of the silicon on insulator (SOI) microdosimeters were used in this work to simulate the energy deposited by proton beams into the micron sized sensitive volumes (SVs). In this work, the detector position, beam size, detector's converters, target materials generating neutrons such as tungsten were investigated in details. The beam energies as well as detector configurations were varied to enhance the production of high Linear Energy Transfer (LET) particles from neutron capture reaction while minimizing the dose to healthy tissue. The results show that by adding $^{10}B$, either uniformly distributed in the SVs, or by placing the $^{10}B_4C$ converter on top of the detector SVs, leading to a dose increase via the $^{10}B(n,\alpha)^7Li$ reaction. This effect was most pronounced for larger beam sizes, which delivered a higher thermal neutron flux to the detector. Both detector configurations exhibited clear peaks in the microdosimetric spectra, and higher dose-mean lineal energy were obtained, indicating more intense, localized biological damage within the volume of interest. The RBE values were observed to increase sharply at the distal edge of the BP correlated with the rising LET values which results in a LET hot spot beyond the physical dose maximum. However, an RBE of 1.1 is currently assumed and implemented for proton therapy, which may negatively impact treatment outcomes. This work emphasizes the importance of accurately deriving RBE values to better reflect the biological effects and improve patient safety. This thesis highlights the need for experimental validation of simulation results and recommends the integration of microdosimetric data and variable RBE models into clinical treatment planning. Such approach enables more accurate delivery of the biological dose while reducing risks to healthy tissues. Microdosimetry was demonstrated to be a powerful tool for pratical application of particle therapy. The results demonstrate that NCEPT can precisely provide a boost dose to the tumor. Overall, this work encourages the move toward biologically optimized planning in hadron therapy.

Questa tesi indaga gli aspetti microdosimetrici e radiobiologici della proton terapia utilizzando il toolkit di simulazione Geant4. L’attenzione è rivolta alla Neutron Capture Enhanced Particle Therapy (NCEPT) e alla variazione della relative biological efficiency (RBE) lungo il picco di Bragg dei protoni. Il lavoro è motivato dalla necessità di stabilire un legame tra le distribuzioni di dose fisica e i loro effetti biologici, con l’obiettivo di migliorare la valutazione della qualità della radiazione e del suo impatto nel trattamento dei tumori. Il modello dei microdosimetri silicon on insulator (SOI) è stato impiegato per simulare l’energia depositata dai fasci di protoni nei volumi sensibili (SVs) di dimensioni micrometriche. In questo studio sono stati analizzati in dettaglio la posizione del rivelatore, le dimensioni del fascio, i convertitori del rivelatore e materiali bersaglio capaci di generare neutroni, come il tungsteno. Sono state inoltre variate le energie dei fasci e le configurazioni dei rivelatori, al fine di incrementare la produzione di particelle ad alto Linear Energy Transfer (LET) provenienti dalle reazioni di cattura neutronica, minimizzando al contempo la dose ai tessuti sani. I risultati mostrano che l’aggiunta di $^{10}B$, sia distribuito uniformemente nei volumi sensibili, sia posto sotto forma di convertitore di $^{10}B_4C$ sopra i volumi sensibili, comporta un incremento della dose tramite la reazione $^{10}B(n,\alpha)^7Li$. Questo effetto risulta più evidente per fasci di dimensioni maggiori, che forniscono un flusso più elevato di neutroni termici al rivelatore. Entrambe le configurazioni del rivelatore hanno mostrato picchi distinti negli spettri microdosimetrici e valori più alti di energia lineale media di dose, indicando un danno biologico più intenso e localizzato all’interno del volume di interesse. I valori di RBE sono stati osservati crescere bruscamente al margine del picco di Bragg, in correlazione con l’aumento del LET, che genera un hot spot di LET oltre il massimo della dose fisica. Tuttavia, nella pratica clinica è attualmente assunto e implementato un valore costante di RBE pari a 1,1, il che può avere un impatto negativo sugli esiti terapeutici. Questo lavoro sottolinea l’importanza di derivare valori accurati di RBE per riflettere meglio gli effetti biologici e migliorare la sicurezza dei pazienti. La tesi evidenzia la necessità di una validazione sperimentale dei risultati delle simulazioni e raccomanda l’integrazione dei dati microdosimetrici e dei modelli di RBE variabile nei sistemi di pianificazione clinica del trattamento. Un tale approccio consente una somministrazione più accurata della dose biologica, riducendo i rischi per i tessuti sani. È stato dimostrato come la microdosimetria rappresenti uno strumento potente per l’applicazione pratica della terapia con particelle. I risultati dimostrano che la NCEPT può fornire con precisione una dose di boost al tumore. In generale, questo lavoro incoraggia la transizione verso una pianificazione biologicamente ottimizzata nella adroterapia.