Calcoli di radioprotezione per una facility di AB-BNCT: simulazioni dell'attivazione del paziente e della sala di trattamento

A new facility for research and clinical application of Boron Neutron Capture Therapy with acceleration technology (AB-BNCT) will be built in Caserta (Italy) as part of the PNC-PNRR ANTHEM project. A BNCT facility comprises a neutron beam of high intensity, thus the radiation protection aspects are of primary importance in the design phase as well as in the management of the centre. To obtain the authorizations for the construction and use of the centre a report with the relevant radiation protection information must be produced. This thesis describes Monte Carlo calculation of some of the radiation protection aspects that must be included in the overall evaluation, focusing on dosimetric quantities and neutron activation. The neutron source employed is the one obtained by the 5 MeV, 30 mA radiofrequency quadrupole accelerator, coupled with a beryllium target and a beam shaping assembly. These technologies are being constructed at the National Institute of Nuclear Physics (INFN), National Laboratories of Legnaro and Unit of Pavia. The building geometry, materials and shielding were defined in previous work, this thesis started from this knowledge to assess the mentioned topics. The codes PHITS and D-CHAIN were employed to analyze the induced activation in the materials of the irradiation room after the beam shutdown and to calculate the equivalent ambient dose rate produced by this activation. The results are useful to evaluate the impact of this radiation source for the patients and the centre staff. One of the most important elements of the facility, regarding induced activation is the Beam Shaping Assembly, that was here calculated. In particular, the impact for the patient and staff of the additional dose after the beam shut down was evaluated, and counter measures were proposed. Also the equipment in the room is a source of possible additional dose due to activation, as for example the robotic arm for patient positioning which was tested as well. Another aspect is the patients' activation, that was calculated using the computational phantom provided by ICRP, positioned in the computational reconstruction of the treatment room. Three irradiation positions were simulated, mimicking treatment of tumors located in the head and neck, thoracic and lower limbs districts. As BNCT is a new therapy in the clinical settings, there are no indications on the management of irradiated patients. This thesis proposes a possible criterion to evaluate the impact of the patients activation, compared to other clinical treatments involving radiation. In addition, a focus was dedicated to the excretions activation, to explore the possible need of a hot restroom in the structure. The results of this thesis are subject to further modifications during the finalization of the facility design, which will involve minor changes in the materials of the Beam Shaping Assembly, for example. Nevertheless, the computational tools, methodologies, and evaluation criteria presented here represent a valuable set of resources that will significantly contribute to the final report for the authorization of the ANTHEM BNCT center in Caserta.

Un nuovo centro di ricerca e applicazione clinica di Boron Neutron Capture Therapy con fascio neutronico prodotto da acceleratore (AB-BNCT) verrà costruito a Caserta nell'ambito del progetto PNC-PNRR ANTHEM. Una facility di BNCT contiene un fascio di neutroni ad alta intensità, per questo motivo gli aspetti legati alla radioprotezione sono di primaria importanza sia nella fase di progettazione che nella gestione del centro. Per ottenere le autorizzazioni per la costruzione e l'utilizzo del centro, deve essere prodotta una relazione con le informazioni rilevanti riguardanti la radioprotezione. Questa tesi descrive il calcolo Monte Carlo di alcuni degli aspetti legati alla radioprotezione che devono essere inclusi nella valutazione complessiva, concentrandosi su quantità dosimetriche e attivazione neutronica. La sorgente neutronica impiegata è quella ottenuta tramite l'acceleratore quadrupolo a radiofrequenza da 5 MeV e 30 mA, accoppiato con un bersaglio di berillio e un Beam Shaping Assmbly (BSA). Queste tecnologie sono in fase di costruzione presso l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), ai Laboratori Nazionali di Legnaro e presso la Sezione di Pavia. La geometria dell'edificio, i materiali e le schermature sono stati definiti in lavori precedenti; questa tesi ha sfruttato queste conoscenze per approfondire gli argomenti menzionati sopra. I codici PHITS e D-CHAIN sono stati impiegati per analizzare l'attivazione indotta nei materiali della sala di trattamento dopo lo spegnimento del fascio e per calcolare l'equivalente di dose ambientale prodotta da tale attivazione. I risultati sono utili per valutare l'impatto di questa sorgente radioattiva sia per i pazienti che per il personale del centro. Uno degli elementi più importanti della facility, per quanto riguarda l'attivazione indotta, che è stata qui calcolata, è il BSA. In particolare, è stato valutato l'impatto, sia per il paziente che per il personale, della dose aggiuntiva dopo lo spegnimento del fascio, e sono state proposte contromisure. Anche le apparecchiature nella sala sono una possibile fonte di dose aggiuntiva dovuta all'attivazione, come ad esempio il braccio robotico per il posizionamento dei pazienti, che è stato anch'esso studiato. Un altro aspetto riguarda l'attivazione dei pazienti, che è stata calcolata utilizzando il modello computazionale fornito dall'ICRP, posizionato nella sala di trattamento. Sono state simulate tre posizioni di irraggiamento, che imitano il trattamento di tumori localizzati nel distretto testa-collo, nel torace e negli arti inferiori. Poiché la BNCT è una terapia nuova in ambito clinico, non esistono indicazioni sulla gestione dei pazienti irraggiati. Questa tesi propone un possibile criterio per valutare l'impatto dell'attivazione dei pazienti, rispetto ad altri trattamenti clinici con radiazioni. Si è inoltre studiata l'attivazione delle escrezioni, per stabilire l'eventuale necessità di un bagno "caldo" nella struttura. I risultati di questa tesi saranno soggetti a ulteriori modifiche durante la finalizzazione del progetto dell'impianto, che comporterà ad esempio piccoli cambiamenti nei materiali che compongono il BSA. Tuttavia, gli strumenti computazionali, le metodologie e i criteri di valutazione presentati qui rappresentano un insieme di risorse che contribuiranno in modo significativo al rapporto finale per l'autorizzazione del centro BNCT ANTHEM a Caserta.