STUDY ON EFFICACY IMPROVEMENTS AND QUALITY OF THE PROTONTHERAPY TREATMENTS

Ad oggi, la ricerca nell ambito dei trattamenti di protonterapia sta assistendo all affermarsi di una nuova era basata sul raggiungimento di nuovi obiettivi in termini di incremento dell efficacia biologica della radiazione e qualità dei fasci utilizzati per i trattamenti clinici. La tesi di dottorato qui proposta discute entrambi gli aspetti. La parte introduttiva è dedicata alla descrizione e allo studio di una nuova tecnica nota come PBCT (Proton-Boron Capture Therapy) basata sulla reazione nucleare di fusione p+11B=>3a innescata all interno delle cellule tumorali grazie alla  presenza di atomi di 11B. La suddetta reazione aneutronica induce l emissione di particelle alpha ad alto LET e corto range che hanno dimostrato indurre un incremento del danno biologico di circa il 30% rispetto alla protonterapia convenzionale. Un tema altrettanto importante nella ricerca in tale ambito consiste nelle tecniche volte ad incrementare l ottimizzazione del trattamento mediante algoritmi dedicati al calcolo di quantità radiobiologiche di interesse. In tal contesto si è valutato l utilizzo di algoritmi basati su codice Monte Carlo sia per il calcolo del LET (Linear Energy Transfer) che per il calcolo dell RBE (Relative Biological Effectiveness).  Infine, è noto che un lavoro volto allo studio delle tecniche di incremento della qualità dei trattamenti non può trascurare gli elementi di trasporto di una linea di trattamento insieme a sistemi di monitoring del fascio. L ultima parte di questo lavoro di tesi è stato dedicato pertanto alla simulazione, realizzazione e test di elementi di modulazione e allargamento del fascio per fasci di protoni e ioni leggeri nelle attuali facilities italiane:  LNS (Laboratori Nazionali del Sud) e TIFPA (Istituto di Fisica per le Fondamenti di Trento). Contestualmente è stato realizzato e caratterizzato con fasci clinici di protoni un nuovo sistema per acquisire i profili laterali di dose con elevata risoluzione spaziale.

The research in protontherapy is being configured today a new era where new objectives in term of quality treatment improvement are reached and new methodologies to increase the radiobiological effect are investigated. This thesis includes both these aspects. The first part of the work is dedicated to a new proposed methodology based on a nuclear reaction triggered by clinical protons. I report the first experimental proof of the PBCT (Proton Boron Capture Therapy) technique based on the use of the p+11B=>3a nuclear fusion reaction to enhance proton biological effectiveness exclusively in the tumour region through the generation of short-range high-LET alpha particles, thus being of potential clinical worth.  Another important item in the protontherapy research consists of investigations about the improvements in the treatments quality. In this thesis, Monte Carlo approach has been evaluated as a new promising strategy for the calculation of the main parameters of interest in medical physics and radiobiological applications. A systematic study to identify the best algorithm for the Linear Energy Transfer (LET) calculation has been performed. This resulted in a new proposed algorithm and its application for the radiobiological effect estimation (or RBE). A work on the proton therapy quality improvement cannot neglect a precise beam characterization as well as the optimisation of its transport parameters. Accordingly, a special task was focused on the improvement of the INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) multidisciplinary facilities: LNS (Laboratori Nazionali del Sud) and TIFPA (Trento Institute for Fundamentals Physics Applications). The main intent has been to increase the beam quality and the techniques for its monitoring. Systematics studies to realize a scattering system for high energy proton and light ions beams (12C, 4He, 16O) as a well as a passive system for the beam energy modulation have been performed. In the end, a new detector for the online dose profiler acquisition has been developed and characterized for its future installation in the abovementioned facilities.