Sapienza – Facoltà di Ingegneria Civile e Industriale – Ingegneria Clinica – Stefano Pioli (1185189) – A.A. 2010/2011 

Sviluppo di un dosimetro  

a fibre wavelength shifter  

per adroterapia 

Laureando: 

Stefano Pioli Relatore: 

Prof. Adalberto Sciubba Correlatore: 

Prof. Vincenzo Patera 

Facoltà di Ingegneria Civile e Industriale 

Ingegneria Clinica 

Sapienza – Facoltà di Ingegneria Civile e Industriale – Ingegneria Clinica – Stefano Pioli (1185189) – A.A. 2010/2011 

L’adroterapia oncologica 

Adroni:  • particelle soggette ad una forza 

nucleare forte • migliaia di volte più pesanti degli 

elettroni  

Fascio terapeutico: • ioni di carbonio (12C), 430 MeV • protoni, 220 MeV 

Sapienza – Facoltà di Ingegneria Civile e Industriale – Ingegneria Clinica – Stefano Pioli (1185189) – A.A. 2010/2011 

La dose rilasciata 

Sapienza – Facoltà di Ingegneria Civile e Industriale – Ingegneria Clinica – Stefano Pioli (1185189) – A.A. 2010/2011 

Il dosimetro per imaging 

Emissione di carichi: protoni Fascio di ioni !  Phantom ! 

Sapienza – Facoltà di Ingegneria Civile e Industriale – Ingegneria Clinica – Stefano Pioli (1185189) – A.A. 2010/2011 

Lo scintillatore plastico 

Saint Gobain BC‐408 • Impiegato per particelle 

cariche, muoni, raggi cosmici e protoni 

• Base di polivintoluene • Indice di rifrazione n=1.58 • Attenuazione della luce in 

210 cm  

Sapienza – Facoltà di Ingegneria Civile e Industriale – Ingegneria Clinica – Stefano Pioli (1185189) – A.A. 2010/2011 

Le fibre Wavelength Shifter 

Saint Gobain BCF‐91A • Attenuazione della luce 

assorbita in 0,3 cm • Attenuazione della luce 

emessa di 350 cm 

Sapienza – Facoltà di Ingegneria Civile e Industriale – Ingegneria Clinica – Stefano Pioli (1185189) – A.A. 2010/2011 

Il fotomoltiplicatore multi‐anodo Hamamatsu H8500 • 8x8 anodi • 12 dinodi e guadagno fino a 

2x106 • Q.E. al 35% per i 480 nm 

Sapienza – Facoltà di Ingegneria Civile e Industriale – Ingegneria Clinica – Stefano Pioli (1185189) – A.A. 2010/2011 

Scopo della Tesi 

Il metodo MONTECARLO 

• realizzare  una  simulazione  per  un  rivelatore  a 

fibre wavelength shifter  

• validare  la  simulazione  per  progettare  diverse 

strutture di rivelatori ottimizzare le prestazioni 

Sapienza – Facoltà di Ingegneria Civile e Industriale – Ingegneria Clinica – Stefano Pioli (1185189) – A.A. 2010/2011 

Il programma di simulazione FLUKA 

Il metodo MONTECARLO 

• Schermatura acceleratori • Fisica nucleare e sub‐nucleare • Dosimetria  

• Raggi cosmici • Radioterapia   

Sapienza – Facoltà di Ingegneria Civile e Industriale – Ingegneria Clinica – Stefano Pioli (1185189) – A.A. 2010/2011 

Struttura della simulazione 

1. Riproduzione virtuale dell’oggetto 

2. Assegnazione dei materiali 

3. Proprietà ottiche dei materiali 

4. Scoring 

Sapienza – Facoltà di Ingegneria Civile e Industriale – Ingegneria Clinica – Stefano Pioli (1185189) – A.A. 2010/2011 

Struttura della simulazione 

1. Riproduzione virtuale dell’oggetto 

2. Assegnazione dei materiali 

3. Proprietà ottiche dei materiali 

4. Scoring 

Sapienza – Facoltà di Ingegneria Civile e Industriale – Ingegneria Clinica – Stefano Pioli (1185189) – A.A. 2010/2011 

Struttura della simulazione 

1. Riproduzione virtuale dell’oggetto 

2. Assegnazione dei materiali 

3. Proprietà ottiche dei materiali 

4. Scoring 

Sapienza – Facoltà di Ingegneria Civile e Industriale – Ingegneria Clinica – Stefano Pioli (1185189) – A.A. 2010/2011 

Struttura della simulazione 

1. Riproduzione virtuale dell’oggetto 

2. Assegnazione dei materiali 

3. Proprietà ottiche dei materiali 

4. Scoring 

Sapienza – Facoltà di Ingegneria Civile e Industriale – Ingegneria Clinica – Stefano Pioli (1185189) – A.A. 2010/2011 

Il dosimetro 

Dosimetro reale  ! 

" Dosimetro simulato 

verso il fotomoltiplicatore multi‐anodo 

Scintillatore plastico 

Fibre Wavelength shifter 

Dimensione: 32 x 32 x 10 mm3 

Sapienza – Facoltà di Ingegneria Civile e Industriale – Ingegneria Clinica – Stefano Pioli (1185189) – A.A. 2010/2011 

La simulazione del dosimetro 

SOURCE USRINI  MGDRAW score dei 

fotoni 

Risultati Carico le 

proprietà 

ottiche dei  

fotoni 

Inizializzo i 

fotoni 

È 

l’ultimo? 

Diagramma di flusso standard di Fluka per fotoni monocromatici 

sì 

no 

Sapienza – Facoltà di Ingegneria Civile e Industriale – Ingegneria Clinica – Stefano Pioli (1185189) – A.A. 2010/2011 

La simulazione del dosimetro 

SOURCE dei 

fotoni blu USRINI 

MGDRAW: 

EEDRAW 

score dei 

fotoni blu Risultati 

Carico le 

proprietà 

ottiche dei  

fotoni blu e 

di quelli 

verdi 

Inizializzo i 

fotoni  blu 

Assorbito 

in un 

core? 

È 

l’ultimo? 

SOURCE dei 

fotoni verdi 

Inizializzo i 

fotoni verdi 

MGDRAW: 

BDX fra core e 

PMT 

Riflessione 

totale 

interna? 

score dei 

fotoni verdi 

sì  sì 

sì 

no 

no 

no 

Simulazione fotone ottico standard ! Simulazione fotone ottico in una fibra WLS 

Sapienza – Facoltà di Ingegneria Civile e Industriale – Ingegneria Clinica – Stefano Pioli (1185189) – A.A. 2010/2011 

Le distribuzioni di foto‐elettroni 

Al passaggio di un singolo protone la distribuzione di foto‐elettroni già evidenzia una correlazione con la posizione della sorgente nonostante le grosse fluttuazioni statistiche. 

Sapienza – Facoltà di Ingegneria Civile e Industriale – Ingegneria Clinica – Stefano Pioli (1185189) – A.A. 2010/2011 

L’analisi in alta statistica 

Sovrapponendo la risposta di più protoni emergono profili più regolari nei quali è possibile distinguere gli effetti dei riflettori. 

1 protone 

1000 protoni 

Sapienza – Facoltà di Ingegneria Civile e Industriale – Ingegneria Clinica – Stefano Pioli (1185189) – A.A. 2010/2011 

La risoluzione spaziale 

arbitrary un

it 

Sapienza – Facoltà di Ingegneria Civile e Industriale – Ingegneria Clinica – Stefano Pioli (1185189) – A.A. 2010/2011 

Conclusioni # Correlazione fra posizione 

della sorgente e distribuzione di foto‐elettroni 

# La risoluzione spaziale di circa 500 !m 

$ 80% dei fotoni «blu» vengono assorbiti dai core 

$ 6% dei fotoni «verdi» generati sono trasportati al PMT 

• Fibre a sezione quadrata con doppio cladding per aumentare l’efficienza di trapping 

• Scintillatore con p‐terfenile per avere resa luminosa migliore • Analisi di forma per trovare la posizione • Verifica dei risultati sperimentali 

Prospettive future 

Sapienza – Facoltà di Ingegneria Civile e Industriale – Ingegneria Clinica – Stefano Pioli (1185189) – A.A. 2010/2011 

Il prototipo del dosimetro 

Sapienza – Facoltà di Ingegneria Civile e Industriale – Ingegneria Clinica – Stefano Pioli (1185189) – A.A. 2010/2011 

Il prototipo del dosimetro al GSI 

Sapienza – Facoltà di Ingegneria Civile e Industriale – Ingegneria Clinica – Stefano Pioli (1185189) – A.A. 2010/2011 

Grazie per l’attenzione.