Confronto dei codici Monte Carlo PHITS e MCNP nelle simulazioni di pianificazione del trattamento BNCT

This work has been performed in the field of Boron Neutron Capture Therapy (BNCT), a form of experimental radiotherapy that exploits the nuclear capture reaction of low-energy neutrons in 10-boron. A borated formulation able to selectively accumulate into the tumour is administered to patients, and then a suitable neutron beam configuration is arranged for tumour irradiation. One of the challenges in BNCT is the capacity to calculate the absorbed dose due to a mixed radiation field, consisting in protons, heavier charged particles and photons generated by the neutron interactions in tissues and with different radiobiological effects. In the frame of a project dedicated to the implementation of a comprehensive Treatment Planning System for the simulation of the BNCT clinical sessions, this thesis explored the differences existing in absorbed dose components calculated using two Monte Carlo transport codes: MCNP and PHITS. A series of simulations were carried out in a simple cylindrical tissue-equivalent model, testing different source geometries, energies, and angular distributions. After dose and flux distributions analysis in the different cases, PHITS was used to simulate a realistic clinical irradiation using a novel, complex and very precise human phantom obtained by tetrahedral voxelization. This part of the work demonstrated that both PHITS and this new phantom are good tools for BNCT feasibility studies. Further work will be dedicated to a deeper analysis of the discrepancies highlighted between the results of the two codes, and to the comparison of the dosimetry obtained in the new phantom using MCNP and PHITS.

Questo lavoro è stato eseguito nel campo della Boron Neutron Capture Therapy (BNCT), una forma di radioterapia sperimentale che sfrutta la reazione di cattura nucleare dei neutroni a bassa energia in boro 10. Ai pazienti viene somministrata una formulazione borata in grado di accumularsi selettivamente nel tumore, quindi viene disposta un'adeguata configurazione del fascio di neutroni per l'irradiazione tumorale. Una delle sfide in BNCT è la capacità di calcolare la dose assorbita a causa di un campo di radiazione misto, costituito da protoni, particelle cariche più pesanti e fotoni generati dalle interazioni neutroniche nei tessuti e con diversi effetti radiobiologici. Nell'ambito di un progetto dedicato all'implementazione di un sistema completo di pianificazione del trattamento per la simulazione delle sessioni cliniche BNCT, questa tesi ha esplorato le differenze esistenti nei componenti della dose assorbita calcolati utilizzando due codici di trasporto Monte Carlo: MCNP e PHITS. Una serie di simulazioni sono state effettuate in un semplice modello cilindrico equivalente a tessuti, testando diverse geometrie di sorgente, energie e distribuzioni angolari. Dopo l'analisi delle distribuzioni di dose e flusso nei diversi casi, PHITS è stato utilizzato per simulare un'irradiazione clinica realistica utilizzando un fantoccio umano nuovo, complesso e molto preciso ottenuto dalla voxelizzazione tetraedrale. Questa parte del lavoro ha dimostrato che sia PHITS che questo nuovo fantoccio sono buoni strumenti per gli studi di fattibilità BNCT. Ulteriori lavori saranno dedicati ad un'analisi più approfondita delle discrepanze evidenziate tra i risultati dei due codici, e al confronto della dosimetria ottenuta nel nuovo fantoccio utilizzando MCNP e PHITS.