Aspetti di radioprotezione legati alla produzione di neutroni durante trattamenti di radioterapia IMRT

During radiotherapy treatments there is the production of various kinds of particles, and in some cases, where there are used energies higher than 10 MeV, neutrons. With the introduction and use of IMRT techniques, Intensity Modulated Radiation Therapy, the hospital S.M. Annunziata of Florence required an evaluation of operating conditions and consequences for understanding how it influences the radiation to the staff produced by the activation of the metal parts in the treatment room, the dose to the operators for their classification and the dose to patients. With the introduction of IMRT techniques there will inevitably be an increased value of the annual dose due to the activation products. The aim of the study is to understand what is the consequence of the introduction of regular IMRT treatments for the classification of workers and areas. The study is structured in two distinct phases, an initial phase of the software simulation with FLUKA, and a later phase with experimental measurements at the hospital in Florence. With FLUKA a scheme of the head of the linear accelerator was outlined to simulate the source of particles and all the materials crossed before reaching the patient, in order to study its interaction with the beam of primary particles and induced activities. From this step it is obtained a first estimation of the neutron fluence, and the most affected areas in the treatment room were highlighted. These are found in approximately 40 ° angle from the beam, corresponding to the area at the side of the treatment bed. Through experimental measurements in two days at the hospital, using various instruments such as Bonner Spheres, Rem Counter, CR-39, germanium detectors and environmental dosimeters it was possible to assess: the dose of neutrons, their energy spectrum, radionuclides activated during the treatments and the values of environmental dose. From the measurements with Bonner spheres with sheets of gold, and CR-39, during a treatment for prostate, we have obtained an estimation of the neutron dose to the patient, as evidenced in particular by the spheres with CR-39 detector, the most sensitive of the two. Secondly, we have obtained data on patient dose from neutrons, with a different treatment with 20 Gy, comparable to the simulation. In this case, both the CR-39 and the sheets of gold have produced good results, consistent with each other and consistent with the simulation. In fact, the neutron spectrum obtained matches perfectly, also in agreement with measurements made under the beam with a degraded radiator consisting of CR-39, aluminum and polyethylene. In addition, we obtained a direct assessment of the full dose by Rem Counter located in the treatment room beside the bed. These measures are compared in terms of neutron fluence and dose with the simulation, and they resulted in agreement. Regarding the dose, the comparison is made in three points: at isocenter, 40 cm from isocenter, and at 1 m from the isocenter. Thanks to this comparison it is verified the reliability of the simulation, and its relationship with reality. Then we made an estimation of activation, through measures on γ. This was then validated by the data obtained from the simulation and carried out prior to confirmation of the report from the qualified expert. The main radionuclides identified with germanium detector are: a short-lived 28Al and 56Mn, and long-lived 24Na and 122Sb. From the data obtained it was possible to confirm that, while increasing the dose to operators with the introduction of IMRT treatments, the contribution is not likely to change its classification, then it is confirmed as “exposed workers of category B ". The measures have produced good results, comparable with those obtained from the simulation, which was then validated and therefore can be reused and applied to other future studies of interest of the Hospital S.M Annunziata for different types of assessments and interest of radiation protection.

Durante i trattamenti di radioterapia si ha produzione di particelle di varia natura, e in alcuni casi, dove vengono impiegate energie maggiori di 10 MeV, di neutroni. Con l’introduzione e l’utilizzo delle tecniche IMRT, radioterapia con fasci ad intensità modulata, nell’ospedale S.M. Annunziata di Firenze è stata necessaria una rivalutazione delle condizioni operative e delle conseguenze che ne derivano per capire come ciò influenzi l’irraggiamento del personale da prodotti di attivazione delle parti metalliche presenti nella sala di trattamento, la dose agli operatori ai fini della loro classificazione e la dose ai pazienti. Con l’introduzione delle tecniche IMRT si ha inevitabilmente un aumento del valore di dose annuale dovute ai prodotti di attivazione. L’obbiettivo dello studio è capire cosa comporta l’introduzione regolare di trattamenti IMRT ai fini della classificazione dei lavoratori e delle aree. Lo studio è strutturato in due distinte fasi, una prima fase di simulazione con il software FLUKA, e una fase successiva di misure sperimentali in campo presso l’ospedale di Firenze. Tramite FLUKA si è schematizzata la testata dell’acceleratore lineare per simulare la sorgente di particelle e tutti i materiali attraversati prima di raggiungere il paziente, in modo da studiarne l’interazione col fascio di particelle primarie e le attivazioni indotte. Da questa si è ricavata una prima stima della fluenza neutronica, in particolare per evidenziare le zone della sala di trattamento più interessate. Queste sono risultate nel settore angolare a circa 40° dal fascio, corrispondente alla zona al lato del lettino. Attraverso le misure sperimentali in due giornate presso l’ospedale, utilizzando vari strumenti quali Sfere di Bonner, Rem Counter, CR-39, rivelatore a Germanio e dosimetro ambientale a ioduro si sodio, è stato possibile valutare: la dose da neutroni, il loro spettro energetico, i radionuclidi attivati durante i trattamenti e i valori di dose ambientale. Dalle misure sui neutroni attraverso sfere di Bonner con foglietti di oro e con CR-39 durante un trattamento alla prostata, si è ottenuta una stima della dose al paziente da neutroni, evidenziata in particolare dalle sfere con rivelatore CR-39, il più sensibile tra i due. In secondo luogo si sono ottenuti dati sulla dose al paziente da neutroni con un trattamento diverso, a 20 Gy, confrontabile con la simulazione. In questo caso, sia i CR-39 che i foglietti di oro hanno fornito buoni risultati, coerenti tra di loro e coerenti con la simulazione. Infatti lo spettro neutronico ottenuto combacia perfettamente, in accordo anche alle misure effettuate sotto il fascio con un radiatore degradatore composto da CR-39, alluminio e polietilene. Si sono ottenuti, quindi, tre spettri coerenti. Inoltre, si è ottenuta una valutazione diretta della dose integrale dal Rem Counter posizionato nella sala di trattamento a fianco del lettino. Queste misure, confrontate sia in termini di fluenza neutronica che di dose con la simulazione, sono risultate in accordo. Per quanto riguarda la dose, il confronto si è effettuato in tre punti: all’altezza dell’isocentro, a 40 cm dall’isocentro, e a 1 m di distanza dall’isocentro. Grazie a questo confronto si è verificata l’attendibilità della simulazione e la sua attinenza con la realtà. Si è poi effettuata la stima di attivazione, tramite misure sui γ. Anche questa poi validata dai dati ottenuti dalla simulazione a conferma della relazione preventiva effettuata dall’esperto qualificato. I principali radionuclidi identificati con rivelatore a germanio sono: a vita breve 28Al e 56Mn, a vita lunga 24Na e 122Sb. Dai dati ottenuti è stato possibile confermare che, pur aumentando la dose agli operatori con l’introduzione dei trattamenti IMRT, l’apporto non è tale da cambiarne la classificazione, quindi si confermano lavoratori “esposti di categoria B”. Le misure hanno fornito buoni risultati, confrontabili con quelli ottenuti dalla simulazione, che quindi è stata validata e per questo motivo potrà essere riutilizzata e applicata ad altri studi futuri di interesse dell’Ospedale S.M. Annunziata per valutazioni di diversa natura e di interesse radioprotezionistico.