Ottimizzazione di un metodo basato su dosimetri a gel di Fricke utilizzato in campi di neutroni epitermici

The thesis work is developed within the research field on Boron Neutron Capture Therapy (BNCT). The proposed dosimetry method is based on Fricke gel dosimeter, in which the gel matrix contains a ferrous solution (Fe2+) and Xylenol Orange (XO). Ionizing radiation causes the oxidation of ferrous ions and the complex (Fe3+–XO) produces light absorption at 585 nm. This change in optical properties leads to the possibility to measure the spatial dose distribution by means of optical imaging of gel dosimeters. The dosimeters were prepared in the form of layers (thickness usually 3 mm). Apposite Matlab® programs were developed to study the absorbed dose distribution. The use of such gel dosimeters for BNCT introduces the advantage that it is possible to obtain images of absorbed dose in every point of the sensitive zone so allowing to know the effects of secondary radiation. The method is based on the analytical comparison of the variation of the optical density (DDO) images. The registration of images from pairs of dosimeters with different isotopic composition allows a pixel-to-pixel analysis. The experiments were performed in the epithermal column of the BNCT facility of nuclear reactors LVR-15 (Nuclear Research Institute of Řež, Prague), in the Hospital Na Bulovce of Prague and in the National Istitute of Tumor of Milan. The thesis activity aims to develop a method to optimize the response of the gel dosimeters in order to maximize the precision of the determination of the different components of the absorbed dose during the treatment. For this reason, for each irradiation, all dosimeters were exposed to known doses in order to obtain the specific calibration curve. The pixel-to-pixel analysis enables to compensate the inaccuracies related to the lack of homogeneity of the thickness and of the dosimeter sensitivity. This processing allows us to obtain better results and more information than those achieved by using a single coefficient of calibration for all the dosimeters, thanks to the availability of information for each pixel of the DDO image. The results obtained confirm the validity of the proposed method.

Il lavoro di tesi presentato si inserisce nel campo di ricerca focalizzato sulla Boron Neutron Capture Therapy (BNCT). La dosimetria proposta sfrutta rivelatori chimici a gel di Fricke con aggiunta di Xylenol Orange, un reagente organico che rende radiocromici i dosimetri, con i quali è possibile ottenere immagini delle dosi assorbite per le varie reazioni secondarie indotte da neutroni. I dosimetri studiati sono preparati in laboratorio in forma di strati sottili (3 mm) e le distribuzioni di dose assorbita sono ottenute con misure di trasmittanza. L'analisi ottica permette di determinare con buona precisione la dose assorbita. Per la stima delle distribuzioni spaziali di dose e dei profili dei contributi di interesse sono stati creati appositi programmi Matlab®. La separazione dei contributi si basa sul confronto analitico delle immagini di differenza di densità ottica (DDO) ottenute da coppie di dosimetri con diversa composizione isotopica. Le esperienze si sono svolte presso l’Istituto di Ricerche Nucleari di Řež (Praga) sfruttando la colonna epitermica del reattore LVR-15, presso l’ospedale Na Bulovce di Praga e l’Istituto Nazionale dei Tumori di Milano. L’obiettivo di questo lavoro è quello di ottimizzare il metodo basato sull’utilizzo di tali dosimetri, in modo da massimizzare la precisione con cui si possono determinare le diverse componenti di dose assorbita durante un trattamento. In particolare, è stato sviluppato un metodo di calibrazione pixel a pixel che permette di compensare imprecisioni dovute a disomogeneità dello spessore e della sensibilità dei dosimetri. E' stata condotta una campagna di misure con un fascio epitermico per BNCT, sia alla bocca del collimatore, sia in fantoccio standard di acqua. Tutti i dosimetri sono preirraggiati al fine di costruire per ognuno un'immagine di calibrazione da utilizzarsi con rielaborazioni pixel a pixel. Questo permette di ottenere risultati migliori di quelli conseguiti utilizzando un coefficiente di calibrazione unico per tutti i dosimetri, perché si dispone di informazioni in corrispondenza di ogni pixel dell'immagine di DDO. I risultati ottenuti confermano la validità del metodo proposto.