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The thesis is framed in the context of the research on a radiotherapy using neutron: Boron Neutron Capture Therapy. In particular, it is focused on accelerator-based BNCT and on its application to tumours that currently have no other therapeutic options. The accelerator under study is based on a radiofrequency quadrupole proton accelerator (RFQ), designed and built at the National Laboratories of Legnaro of the National Institute of Nuclear Physics (INFN). The neutron beam is produced by the reaction (p, n) on a beryllium target. The thesis aims to address various aspects related to the calculation of the in-patient dose distribution, using innovative theoretical and computational tools. The most important aspect is the use of a new dosimetric model to transform the BNCT absorbed dose in photon-equivalent units, which requires the use of experimental radiobiological data. This model is called photon isoeffective dose and represents an evolution compared to the classical method that used constant Relative Biological Effectiveness factors. The clinical case that was used as an example of application of new dosimetric and computational tools is Glioblastoma Multiforme: a very aggressive and invasive brain tumour which responds poorly to conventional therapies (radiotherapy and chemotherapy) and therefore has represented a target for various BNCT trials. In this thesis, new radiobiological data produced in Pavia were used for the first time to feed the isoeffective photon dose model with parameters of human Glioblastoma multiforme cell line. In-vitro available data were complemented with a new curve obtained with a cobalt-60 source. The data were compared with the ones previously produced using X-rays. To extract the necessary parameters for the calculation of the photon isoeffective dose, the experimental data of the cell survival of the U87 line irradiated with photons, neutrons and neutrons after boron treatment were fitted. The fit was performed with the modified quadratic linear model, which considers the repair time of cells during irradiation and also synergistic effects between the different components of the BNCT radiation field. These parameters were used as inputs for the isoeffective photon dose model. The survival curves were also used to calculate the Relative Biological Efficacy (RBE) and Compound Biological Efficacy (CBE) factors for the different beam components, and it was therefore possible to compare the dose values in photon-equivalent units calculated with the classic model and with the photon isoeffective dose model. The second phase of the work focused on optimizing the neutron source used for the simulation of irradiation. Instead of using the complete description of the source already available and extensively validated, a so-called track by track source has been implemented which allowed to significantly reduce the calculation times. The simulation was performed with two Monte Carlo transport codes. To validate the simulation of this source we verified that the features of the neutron beam had remained unchanged compared to the description of the complete source. Finally, the irradiation of a patient suffering from GBM and approximated with a geometric phantom was simulated. For this part of the work the IT_STARTS software, which is a Treatment Planning System including a module for calculating the photon-equivalent dose distribution in the patient. The distribution of the absorbed dose in both healthy and tumour tissue was analysed using DVH calculated with IT_STARTS. Conclusions are drawn on the impact of these results and the future developments of this research are finally outlined.

La tesi si inserisce nell’ambito dello studio della radioterapia con neutroni: Boron Neutron Capture Therapy, utilizzando un fascio prodotto da acceleratore e della sua applicazione a tumori che, attualmente, non hanno altre opzioni terapeutiche efficaci. Questo lavoro è basato su un acceleratore di protoni RFQ, progettato e realizzato dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), ai Laboratori Nazionali di Legnaro. Il fascio neutronico viene prodotto dalla reazione (p,n) su un target di berillio. La tesi si propone di affrontare diversi aspetti legati al calcolo della distribuzione della dose nel paziente, usando strumenti teorici e computazionali innovativi. L’aspetto più importante è l’impiego di un modello dosimetrico per trasformare la dose assorbita per un trattamento BNCT in unità fotone-equivalente, che richiede l’uso di dati radiobiologici sperimentali. Tale modello si chiama photon isoeffective dose model e rappresenta un’evoluzione rispetto al modello classico che faceva uso di fattori RBE costanti. Il caso clinico che si è usato come esempio di applicazione dei modelli dosimetrici e del software implementato è il Glioblastoma Multiforme: un tumore cerebrale molto aggressivo e invasivo, che risponde poco alle terapie convezionali (radioterapia e chemioterapia) e pertanto rappresenta oggetto di studio per diversi trials BNCT. In questo lavoro sono stati utilizzati, per la prima volta, nuovi dati radiobiologici prodotti a Pavia per alimentare il modello photon isoeffective dose con informazioni sul Glioblastoma Multiforme nell’uomo. I dati su linea cellulare sono stati arricchiti con una nuova curva ottenuta con una sorgente di cobalto-60, che è stata confrontata con quella precedentemente prodotta utilizzando i raggi X. Per estrarre i parametri necessari per il calcolo della dose isoeffettiva sono stati eseguiti i fit dei dati sperimentali della sopravvivenza cellulare della linea U87 sottoposta a irraggiamenti con fotoni, neutroni e neutroni dopo l’arricchimento delle cellule con una sostanza borata. Il fit è stato fatto ultilizzando il modello lineare quadratico modificato che tiene conto del tempo di riparazione delle cellule durante l’irraggiamento e anche degli effetti sinergici tra le diverse componenti del campo di radiazione BNCT. Questi parametri sono stati usati come input per il modello di photon isoeffective dose. Dalle curve di sopravvivenza ricavate, sono stati calcolati anche i fattori di RBE e CBE per le componenti del fascio, ed è quindi stato possibile confrontare i valori delle dosi in unità fotone-equivalente calcolate con il modello classico e con il modello photon isoeffective dose. La seconda fase del lavoro si è concentrata sull’ottimizzazione della sorgente neutronica utilizzata per la simulazione dell’irraggiamento. Anzichè utilizzare la descrizione completa della sorgente già disponibile e ampiamente validata, è stata implementata una sorgente cosiddetta traccia per traccia che ha permesso di ridurre significativamente i tempi di calcolo. Prima di poter utilizzare questa sorgente, simulata con due codici di trasporto Monte Carlo, è stata eseguita una validazione per verificare che le caratteristiche del fascio neutronico fossero rimaste invariate. Infine è stato simulato l’irraggiamento di un paziente affetto da GBM, approssimato con un fantoccio geometrico. Per questa parte del lavoro è stato usato il software IT_STARTS, che è a tutti gli effetti un Treatment Planning System (TPS), e comprende un modulo per il calcolo della distribuzione della dose fotone-equivalente nel paziente. La distribuzione della dose assorbita sia nel tessuto sano che in quello tumorale è quindi stata analizzata tramite DVH calcolati con IT_STARTS. Le conclusioni mostrano l’impatto di questi risultati e delineano i futuri sviluppi di questa ricerca.

Studi dosimetrici per la BNCT del Glioblastoma Multiforme con acceleratore

SIMEONE, ERICA
2021/2022

Abstract

The thesis is framed in the context of the research on a radiotherapy using neutron: Boron Neutron Capture Therapy. In particular, it is focused on accelerator-based BNCT and on its application to tumours that currently have no other therapeutic options. The accelerator under study is based on a radiofrequency quadrupole proton accelerator (RFQ), designed and built at the National Laboratories of Legnaro of the National Institute of Nuclear Physics (INFN). The neutron beam is produced by the reaction (p, n) on a beryllium target. The thesis aims to address various aspects related to the calculation of the in-patient dose distribution, using innovative theoretical and computational tools. The most important aspect is the use of a new dosimetric model to transform the BNCT absorbed dose in photon-equivalent units, which requires the use of experimental radiobiological data. This model is called photon isoeffective dose and represents an evolution compared to the classical method that used constant Relative Biological Effectiveness factors. The clinical case that was used as an example of application of new dosimetric and computational tools is Glioblastoma Multiforme: a very aggressive and invasive brain tumour which responds poorly to conventional therapies (radiotherapy and chemotherapy) and therefore has represented a target for various BNCT trials. In this thesis, new radiobiological data produced in Pavia were used for the first time to feed the isoeffective photon dose model with parameters of human Glioblastoma multiforme cell line. In-vitro available data were complemented with a new curve obtained with a cobalt-60 source. The data were compared with the ones previously produced using X-rays. To extract the necessary parameters for the calculation of the photon isoeffective dose, the experimental data of the cell survival of the U87 line irradiated with photons, neutrons and neutrons after boron treatment were fitted. The fit was performed with the modified quadratic linear model, which considers the repair time of cells during irradiation and also synergistic effects between the different components of the BNCT radiation field. These parameters were used as inputs for the isoeffective photon dose model. The survival curves were also used to calculate the Relative Biological Efficacy (RBE) and Compound Biological Efficacy (CBE) factors for the different beam components, and it was therefore possible to compare the dose values in photon-equivalent units calculated with the classic model and with the photon isoeffective dose model. The second phase of the work focused on optimizing the neutron source used for the simulation of irradiation. Instead of using the complete description of the source already available and extensively validated, a so-called track by track source has been implemented which allowed to significantly reduce the calculation times. The simulation was performed with two Monte Carlo transport codes. To validate the simulation of this source we verified that the features of the neutron beam had remained unchanged compared to the description of the complete source. Finally, the irradiation of a patient suffering from GBM and approximated with a geometric phantom was simulated. For this part of the work the IT_STARTS software, which is a Treatment Planning System including a module for calculating the photon-equivalent dose distribution in the patient. The distribution of the absorbed dose in both healthy and tumour tissue was analysed using DVH calculated with IT_STARTS. Conclusions are drawn on the impact of these results and the future developments of this research are finally outlined.
DIPARTIMENTO DI FISICA
SCIENZE FISICHE [08408]
2021
Dosimetry Studies for accelerator-based BNCT of Glioblastoma Multiforme
La tesi si inserisce nell’ambito dello studio della radioterapia con neutroni: Boron Neutron Capture Therapy, utilizzando un fascio prodotto da acceleratore e della sua applicazione a tumori che, attualmente, non hanno altre opzioni terapeutiche efficaci. Questo lavoro è basato su un acceleratore di protoni RFQ, progettato e realizzato dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), ai Laboratori Nazionali di Legnaro. Il fascio neutronico viene prodotto dalla reazione (p,n) su un target di berillio. La tesi si propone di affrontare diversi aspetti legati al calcolo della distribuzione della dose nel paziente, usando strumenti teorici e computazionali innovativi. L’aspetto più importante è l’impiego di un modello dosimetrico per trasformare la dose assorbita per un trattamento BNCT in unità fotone-equivalente, che richiede l’uso di dati radiobiologici sperimentali. Tale modello si chiama photon isoeffective dose model e rappresenta un’evoluzione rispetto al modello classico che faceva uso di fattori RBE costanti. Il caso clinico che si è usato come esempio di applicazione dei modelli dosimetrici e del software implementato è il Glioblastoma Multiforme: un tumore cerebrale molto aggressivo e invasivo, che risponde poco alle terapie convezionali (radioterapia e chemioterapia) e pertanto rappresenta oggetto di studio per diversi trials BNCT. In questo lavoro sono stati utilizzati, per la prima volta, nuovi dati radiobiologici prodotti a Pavia per alimentare il modello photon isoeffective dose con informazioni sul Glioblastoma Multiforme nell’uomo. I dati su linea cellulare sono stati arricchiti con una nuova curva ottenuta con una sorgente di cobalto-60, che è stata confrontata con quella precedentemente prodotta utilizzando i raggi X. Per estrarre i parametri necessari per il calcolo della dose isoeffettiva sono stati eseguiti i fit dei dati sperimentali della sopravvivenza cellulare della linea U87 sottoposta a irraggiamenti con fotoni, neutroni e neutroni dopo l’arricchimento delle cellule con una sostanza borata. Il fit è stato fatto ultilizzando il modello lineare quadratico modificato che tiene conto del tempo di riparazione delle cellule durante l’irraggiamento e anche degli effetti sinergici tra le diverse componenti del campo di radiazione BNCT. Questi parametri sono stati usati come input per il modello di photon isoeffective dose. Dalle curve di sopravvivenza ricavate, sono stati calcolati anche i fattori di RBE e CBE per le componenti del fascio, ed è quindi stato possibile confrontare i valori delle dosi in unità fotone-equivalente calcolate con il modello classico e con il modello photon isoeffective dose. La seconda fase del lavoro si è concentrata sull’ottimizzazione della sorgente neutronica utilizzata per la simulazione dell’irraggiamento. Anzichè utilizzare la descrizione completa della sorgente già disponibile e ampiamente validata, è stata implementata una sorgente cosiddetta traccia per traccia che ha permesso di ridurre significativamente i tempi di calcolo. Prima di poter utilizzare questa sorgente, simulata con due codici di trasporto Monte Carlo, è stata eseguita una validazione per verificare che le caratteristiche del fascio neutronico fossero rimaste invariate. Infine è stato simulato l’irraggiamento di un paziente affetto da GBM, approssimato con un fantoccio geometrico. Per questa parte del lavoro è stato usato il software IT_STARTS, che è a tutti gli effetti un Treatment Planning System (TPS), e comprende un modulo per il calcolo della distribuzione della dose fotone-equivalente nel paziente. La distribuzione della dose assorbita sia nel tessuto sano che in quello tumorale è quindi stata analizzata tramite DVH calcolati con IT_STARTS. Le conclusioni mostrano l’impatto di questi risultati e delineano i futuri sviluppi di questa ricerca.
POSTUMA, IAN
Lauree Magistrali
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/20.500.14239/14918