A novel inverted collimator for prompt gamma imaging: a Monte Carlo feasibility study

The energy deposition mechanisms governing the interaction of charged particles with matter ensure that hadrontherapy can treat tumors while sparing the surrounding healthy tissues. However, the steep dose gradient associated with the Bragg peak implies a high sensitivity to range uncertainties. Several offline mitigation techniques have been investigated to tackle this problem. Nowadays, the new scientific frontier is represented by online range monitoring methods, which can detect range variations during the treatment, allowing instantaneous correction. Among them, Prompt Gamma Imaging (PGI) has proven to be a promising approach. In view of this, the REALPATH project is currently designing a real-time range verification system to perform treatment quality assurance at a high level of precision. Its latest advancement regards a novel collimation strategy, represented by the Inverted Collimator. The goal of this thesis consists of investigating the performance of the new device by adopting a clinically oriented approach. Using the Monte Carlo simulation software FLUKA, a comprehensive analysis was carried out to compare its capabilities with those of the device considered to be the state of the art in PGI: the knife-edge collimator. To this end, the clinical advantages in terms of usability have been highlighted in a first macroscopic investigation. Later, a material analysis regarding the radiation emission of its supporting structure was addressed. This allowed the selection of an aluminium alloy as the most suitable compound by considering the minimization of the non-therapeutic dose and of the exposure risks to the medical staff. At this point, a comparison in terms of range retrieval performance was conducted. In particular, a first investigation of the two prototypes together with the corresponding non-clinical devices was addressed. This demonstrated the superiority of the former according to all the employed figures of merit. Lastly, a study concerning only the clinical prototypes was carried out. In conclusion, it was assessed that the inverted collimator prototype shows capabilities comparable to the knife-edge, thus being a valid alternative in PGI.

I processi di deposizione dell'energia riguardanti le particelle cariche permettono all'adro\-terapia di trattare i tumori senza ledere i tessuti sani. Tuttavia, l'elevato gradiente di dose del picco di Bragg rende l'adroterapia molto sensibile alle incertezze del range. Negli ultimi decenni, sono state sviluppate diverse strategie riguardanti la riduzione di queste ultime prima dell'irraggiamento. Oggi la frontiera della ricerca è costituita dalle tecniche che effettuano un controllo del range durante l'irraggiamento stesso, le quali permetterebbero una correzione istantanea. Tra di esse, la Prompt Gamma Imaging (PGI) è una delle più promettenti. A questo proposito, il progetto REALPATH ha come obiettivo lo sviluppo di un sistema di verifica del range in tempo reale che garantisca un controllo di qualità del trattamento. L'ultimo progresso conseguito riguarda un nuovo approccio alla collimazione, rappresentato dall'Inverted Collimator. L'obiettivo di questa tesi è di analizzarlo in vista di una futura implementazione clinica. A tal fine, è stata approntata un'analisi comprensiva delle sue capacità tramite l'utilizzo del software di simulazione Monte Carlo FLUKA, con lo scopo di compararlo al collimatore considerato lo stato dell'arte della PGI: il knife edge. In un primo studio macroscopico, sono stati evidenziati i vantaggi riguardanti la migliore praticità clinica. Successivamente, è stata condotta un'analisi dei materiali rispetto alle emissioni radiologiche dalla struttura di supporto che ha dimostrato come l'utilizzo di una lega di alluminio sia preferibile per minimizzare la dose non terapeutica e i rischi di esposizione per il personale medico. In seguito, è stato eseguito uno studio sulle capacità di individuazione del range. In prima battuta, sono stati analizzati sia i due prototipi che i collimatori non sviluppati per l'utilizzo clinico, dimostrando come i primi siano caratterizzati da una più elevata precisione. Infine, è stata affrontata un'analisi dettagliata dei due prototipi, la quale ha evidenziato come il prototipo inverted mostri performance comparabili alla tecnologia knife-edge, rivelandosi una valida alternativa nell'ambito della PGI.