Prompt gamma detection for range monitoring in hadrontherapy: a Monte Carlo feasibility study

In hadrontherapy, the steep dose gradient of the Bragg peak makes treatment highly sensitive to range uncertainties. The REALPATH project aims to develop an adaptive hadrontherapy detection system capable of real-time range verification based on prompt gamma emission. This thesis focuses on the validation of a FLUKA model for a pixelated LYSO:Ce scintillator, using the ISOCS BEGe5030 high-purity germanium detector as a reference. Monte Carlo simulations were performed to model the detector response. The simulated geometries reproduced the experimental setups implemented at Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica (CNAO), including realistic room conditions. The intrinsic peak and detection efficiencies of the ISOCS detector were evaluated in the 12.5 keV–7 MeV energy range, showing a decreasing efficiency at high energies. Ambient dose equivalent and activation analyses were also performed to confirm conformity with CNAO’s radiation safety limits. Experimental spectra acquired with proton and carbon ion beams were compared to simulated data, revealing qualitative agreement in spectral shape and prompt gamma peak positions. Quantitative discrepancies, mainly due to beamline conditions, were identified and discussed. For the LYSO pixelated detector, both simulations and measurements were conducted using proton beams with open and closed collimator configurations. Pixel maps in the 3–7 MeV energy range demonstrated clear identification of the prompt gamma emission region. The mean relative difference between experimental and simulated results was approximately 45%, mainly attributed to the higher prompt gamma yield predicted by FLUKA and the lack of ptical and electronic effects in the model. Overall, the results confirm the feasibility of using Monte Carlo simulations to support detector optimization for prompt gamma based range verification in hadrontherapy. Future work will extend the analysis to carbon-ion beams and additional phantom configurations.

In adroterapia, l’elevato gradiente di dose in corrispondenza del picco di Bragg rende il trattamento estremamente sensibile alle incertezze sul range del fascio. Il progetto REALPATH mira a sviluppare un sistema di adroterapia adattivo in grado di verificare in tempo reale la profondità di penetrazione del fascio attraverso la misura dell’emissione di raggi gamma pronti. Questa tesi è dedicata alla validazione di un modello FLUKA di uno scintillatore pixelato LYSO:Ce, utilizzando come riferimento il rivelatore a germanio perpuro ISOCS BEGe5030. Le simulazioni Monte Carlo sono state effettuate con lo scopo di studiare la risposta del rivelatore. Le simulazioni hanno riprodotto le configurazioni sperimentali impiegate al Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica (CNAO), includendo una rappresentazione realistica delle condizioni della stanza. L’efficienza intrinseca di picco e di rivelazione di ISOCS sono state valutate nell’intervallo energetico 12.5 keV–7 MeV, mostrando un calo alle alte energie. Sono state inoltre eseguite analisi dell’equivalente di dose ambientale e dell’attivazione per verificare la conformità ai limiti di sicurezza radiologica del CNAO. Gli spettri sperimentali ottenuti con fasci di protoni e ioni carbonio sono stati confrontati con i risultati simulati, mostrando una buona corrispondenza qualitativa nella forma dello spettro e posizione dei picchi dei gamma pronti. Le differenze quantitative osservate sono attribuite principalmente alle condizioni della linea del fascio. Per il rivelatore LYSO pixelato, le misure e le simulazioni sono state condotte con fasci di protoni, sia con collimatore aperto che chiuso. Le pixel maps nella finetra energetica 3-7 MeV hanno mostrato una chiara identificazione della regione di emissione dei gamma pronti. La differenza relativa media tra dati sperimentali e simulati è risultata intorno al 45%, dovuta principalmente alla sovrastima del rendimento dei gamma pronti da parte di FLUKA e alla mancata inclusione degli effetti ottici ed elettronici nel modello. Nel complesso, i risultati ottenuti confermano la fattibilità di usare delle simulazioni Monte Carlo come strumento di supporto per l’ottimizzazione dei rivelatori destinati alla verifica del range tramite gamma pronti in adroterapia. Le future attività di ricerca prevedono l’estensione dell’analisi a fasci di ioni carbonio e a differenti fantocci.