Radiological characterisation and end-to-end dosimetric verification of a 3D-printed tissue-equivalent neck phantom in proton therapy

Anthropomorphic phantoms can be useful for accurate end-to-end dosimetric verification of radiotherapy delivery in clinically realistic geometries. The aim of this study was to describe the design, material characterisation and fabrication of a tissue-equivalent anthropomorphic neck phantom designed for 2.5D verification of spinal cord doses in proton therapy. Commercially available thermoplastics corresponding to soft tissue and bone were selected and their radiological properties were evaluated. A neck-shaped phantom was manufactured using a commercial 3D printer. It consisted of soft tissue mimicking material, a shell of bone mimicking material around a cylinder simulating the spinal cord and an air-filled cylinder simulating the trachea. The phantom contained a 1.6 mm thin slot around the outer surface of the spine fitting an in-house made optically stimulated luminescence dosimetry film. The phantom was subsequently irradiated with a two-field pencil beam scanning proton plan and the OSL film was read out using an in-house developed 2D optical scanning system. Accurate radiological tissue equivalency for both soft tissue and bone equivalent materials was achieved, with mean CT numbers and stopping power ratios of 30 HU and 1.02 for the soft tissue material and 392 HU and 1.23 for the bone material. The measured 2D dose distribution showed good agreement with the treatment planning system prediction. This study demonstrated that patient-specific dosimetry phantoms, suitable for end-to-end dosimetric verification, can be successfully produced using accessible commercial 3D printing technologies.

I fantocci antropomorfi rappresentano uno strumento fondamentale per condurre un'accurata verifica dosimetrica end-to-end dell'erogazione radioterapica all'interno di geometrie clinicamente realistiche. Il presente studio ha l'obiettivo di descrivere la progettazione, la caratterizzazione dei materiali e la realizzazione di un fantoccio antropomorfo del distretto cervicale tessuto-equivalente, finalizzato alla verifica dosimetrica in 2.5D nella regione perimidollare. A tal fine, sono stati selezionati filamenti termoplastici di largo consumo per emulare i tessuti molli e la struttura ossea, procedendo successivamente alla valutazione delle rispettive proprietà radiologiche. Il dispositivo, fabbricato mediante una stampante 3D commerciale, è costituito da un corpo principale equivalente al tessuto molle, un involucro osseo-equivalente posto a circondare un inserto cilindrico simulante il midollo spinale, e una cavità riempita d'aria in rappresentanza della trachea. La struttura integra inoltre un'intercapedine dello spessore di 1.6 mm attorno alla superficie esterna della colonna vertebrale, appositamente concepita per alloggiare un dosimetro a film a luminescenza otticamente stimolata (OSL) sviluppato in-house. Il fantoccio è stato sottoposto a irraggiamento mediante un piano di trattamento clinicamente rappresentativo a tre campi con tecnica Pencil Beam Scanning (PBS); successivamente, il dosimetro OSL è stato analizzato tramite un sistema di lettura ottica 2D anch'esso proprietario. Le analisi hanno confermato un'accurata equivalenza tissutale radiologica per i materiali impiegati, registrando valori tomografici medi e rapporti di potere frenante (SPR) pari a -30 HU e 1.02 per il sostituto del tessuto molle, e 295 HU e 1.23 per la componente ossea. La distribuzione di dose 2D sperimentale ha evidenziato un'ottima concordanza con le previsioni del Treatment Planning System (TPS), dimostrando la piena idoneità del fantoccio per le procedure di verifica end-to-end. In conclusione, questo lavoro dimostra la fattibilità di produrre con successo fantocci dosimetrici paziente-specifici avvalendosi di tecnologie di manifattura additiva commerciali e ampiamente accessibili.