Dosimetry of microbeam radiotherapy by flexible hydrogenated amorphous silicon detectors

Authors

Matthew James Large, University of Wollongong
Keida Kanxheri, Università degli Studi di Perugia
Jessie Posar, University of Wollongong
Saba Aziz, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Lecce
Aishah Bashiri, University of Wollongong
Lucio Calcagnile, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Lecce
Daniela Calvo, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Torino
Domenico Caputo, Sapienza Università di Roma
Anna Paola Caricato, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Lecce
Roberto Catalano, INFN - Laboratori Nazionali del Sud
Roberto Cirio, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Torino
Giuseppe Antonio Pablo Cirrone, INFN - Laboratori Nazionali del Sud
Tommaso Croci, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Perugia
Giacomo Cuttone, INFN - Laboratori Nazionali del Sud
Gianpiero De Cesare, Sapienza Università di Roma
Paolo De Remigis, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Torino
Sylvain Dunand, École Polytechnique Fédérale de Lausanne
Michele Fabi, Università degli Studi di Urbino Carlo Bo
Luca Frontini, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Milano
Catia Grimani, Università degli Studi di Urbino Carlo Bo
Mariacristina Guarrera, INFN - Laboratori Nazionali del Sud
Maria Ionica, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Perugia
Francesca Lenta, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Torino
Valentino Liberali, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Milano
Nicola Lovecchio, Sapienza Università di Roma
Maurizio Martino, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Lecce
Giuseppe Maruccio, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Lecce
Giovanni Mazza, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Torino
Mauro Menichelli, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Perugia

Publication Name

Physics in Medicine and Biology

Abstract

Objective. Detectors that can provide accurate dosimetry for microbeam radiation therapy (MRT) must possess intrinsic radiation hardness, a high dynamic range, and a micron-scale spatial resolution. In this work we characterize hydrogenated amorphous silicon detectors for MRT dosimetry, presenting a novel combination of flexible, ultra-thin and radiation-hard features. Approach. Two detectors are explored: an n-type/intrinsic/p-type planar diode (NIP) and an NIP with an additional charge selective layer (NIP + CSC). Results. The sensitivity of the NIP + CSC detector was greater than the NIP detector for all measurement conditions. At 1 V and 0 kGy under the 3T Cu-Cu synchrotron broadbeam, the NIP + CSC detector sensitivity of (7.76 ± 0.01) pC cGy−1 outperformed the NIP detector sensitivity of (3.55 ± 0.23) pC cGy−1 by 219%. The energy dependence of both detectors matches closely to the attenuation coefficient ratio of silicon against water. Radiation damage measurements of both detectors out to 40 kGy revealed a higher radiation tolerance in the NIP detector compared to the NIP + CSC (17.2% and 33.5% degradations, respectively). Percentage depth dose profiles matched the PTW microDiamond detector’s performance to within ±6% for all beam filtrations except in 3T Al-Al due to energy dependence. The 3T Cu-Cu microbeam field profile was reconstructed and returned microbeam width and peak-to-peak values of (51 ± 1) μm and (405 ± 5) μm, respectively. The peak-to-valley dose ratio was measured as a function of depth and agrees within error to the values obtained with the PTW microDiamond. X-ray beam induced charge mapping of the detector revealed minimal dose perturbations from extra-cameral materials. Significance. The detectors are comparable to commercially available dosimeters for quality assurance in MRT. With added benefits of being micron-sized and possessing a flexible water-equivalent substrate, these detectors are attractive candidates for quality assurance, in-vivo dosimetry and in-line beam monitoring for MRT and FLASH therapy.

Open Access Status

This publication is not available as open access

Volume

69

Issue

15

Article Number

155022

Funding Number

1061 DEL 10.8.2021

Funding Sponsor

Schweizerischer Nationalfonds zur Förderung der Wissenschaftlichen Forschung

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Link to publisher version (DOI)

http://dx.doi.org/10.1088/1361-6560/ad64b5