A energia do feixe é um parâmetro chave na terapia de partículas, definindo a profundidade dentro do paciente em que a radiação terapêutica é depositada. Quaisquer desvios na energia irão alterar o intervalo de partículas, o que pode levar à subdosagem do tumor ou overdose de estruturas normais, particularmente para os tratamentos de varredura de feixe de lápis cada vez mais prevalentes.
Um detector que pode medir rapidamente a energia do feixe de partículas pode ser inestimável. Tal dispositivo poderia ser usado para garantia de qualidade regular (QA), para verificar a energia do feixe durante a irradiação, ou mesmo para implementar futuros esquemas de entrega de dose adaptativa empregando modulação rápida de energia. Com isso em mente, pesquisadores na Itália desenvolveram um detector de protótipo que mede o tempo de vôo (ToF) dos prótons para determinar a energia do feixe.
Para medir a energia e, portanto, a faixa de um feixe de prótons clínico, um detector deve corresponder à incerteza de faixa clinicamente aceitável, que normalmente é menor que 1 mm em energias terapêuticas de prótons. Isto para medições de precisão que variam de cerca de 0,5 MeV para prótons de 230 MeV a 1 MeV para prótons de 60 MeV. Para conseguir isso, os pesquisadores – da Universidade de Torino e do INFN – criaram um detector a partir de dois sensores ultra-rápidos de silício (UFSD) colocados a uma distância específica ao longo da direção do feixe.
“As principais vantagens dos detectores de silício ultrarrápidos sobre os tradicionais de silício são excelente resolução de tempo, espessura reduzida, boa relação sinal-ruído e curta duração do sinal”, explica a primeira autora Anna Vignati. “Esses recursos permitem a identificação de prótons únicos, mesmo em feixes de alta intensidade e estrutura de tempo irregular. Assim, o número de prótons necessários para medir a energia do feixe com a precisão necessária poderia ser coletado em um período de tempo favorável (alguns segundos) para verificações de controle de qualidade em uma instalação de terapia de prótons. ”
Vignati e colegas testaram o dispositivo protótipo em um feixe de prótons clínico nas instalações da CNAO e relataram suas descobertas em Física em Medicina e Biologia. Eles realizaram medições de ToF em cinco energias de feixe clínico (58,9, 77,6, 103,5, 148,5 e 226,1 MeV, correspondendo a profundidades equivalentes de água entre 30 e 320 mm). Eles mediram a energia de cada feixe com os sensores posicionados a quatro distâncias, de alguns centímetros até cerca de 1 m de distância.
Os pesquisadores calcularam o ToF a partir da diferença de tempo média entre os sinais coincidentes gerados quando um único próton cruza os dois sensores, menos um deslocamento de tempo constante relacionado ao roteamento do sinal. Para determinar a energia do feixe a partir dessas medições ToF, eles desenvolveram um modelo que leva em conta a perda de energia nos sensores e no ar, comparando-o com as simulações de Monte Carlo.
As principais fontes de erro para esta configuração são as incertezas na distância entre os sensores e o deslocamento de tempo. Para minimizar essas incertezas, a equipe desenvolveu um método de calibração usando 16 das medições ToF (excluindo aquelas em 103,5 MeV, que foram usadas para testar a calibração) e assumindo as energias nominais no isocentro como quantidades conhecidas.
A comparação das energias medidas com as energias nominais do feixe revelou que, nos dois maiores espaçamentos de sensores (67 e 97 cm), os desvios foram menores que 0,5 MeV para todas as cinco energias de prótons – compatível com a precisão de medição clinicamente aceitável.
O detector também demonstrou tempos de aquisição curtos. Para um teste com espaçamento de detector de 97 cm e energia de feixe de 226,1 MeV, os pesquisadores descobriram que 6 s de irradiação a uma intensidade de 5 × 108 prótons / s foi suficiente para permanecer abaixo do erro ToF máximo aceitável (4 ps para sensores 1 m de distância).
Do ponto de vista clínico, o parâmetro mais significativo é o desvio de faixa correspondente na água. No espaçamento do sensor de 67 e 97 cm, as discrepâncias de intervalo entre as energias medidas e nominais do feixe foram de 0,5 mm para energias mais baixas e de 1 mm para a energia máxima, em conformidade com os requisitos clínicos.
Os pesquisadores concluíram que os sensores de silício UFSD podem medir a energia de um feixe de prótons clínico em poucos segundos, com boa precisão e perturbação mínima do feixe. Eles observam que seu detector pode encontrar aplicação imediata para controle de qualidade diário. “Com mais melhorias, nosso detector será compatível com o uso durante o tratamento”, disse Vignati ao Physics World. “De fato, explorar adequadamente a espessura extremamente reduzida desses sensores minimizaria a perturbação do feixe, enquanto a redução do tempo morto de aquisição permitiria medições de sensibilidade semelhante em alguns milissegundos.”
Para melhorar ainda mais a coleta de prótons coincidentes, os pesquisadores produziram um sensor dedicado com segmentação adequada da área ativa. Eles também desenvolveram um sistema mecânico que varia a distância entre os sensores com alta precisão, permitindo um processo de autocalibração que não requer mais o conhecimento da energia do feixe usada para calibração. “Isso garante que a mesma precisão e sensibilidade serão alcançadas em qualquer instalação clínica onde o dispositivo será usado”, diz Vignati.
Publicado em 09/09/2020 21h27
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