Alcune attivita’di ricerca in Fisica Medica presso

l’Universita’ di TorinoFlavio Marchetto

INFN Torino

17/9/2004

1. Introduzione alla radiazioni ionizzanti:• cenni storici

• grandezze fisiche

2. Effetti biologici della radiazione

3. Radiazione ionizzante naturale e artificiale

4. Uso delle radiazioni per il trattamento radioterapeutico

5. Trattamento conformazionale e adroterapia

6. Rivelatori per la misura delle radiazioni ionizzanti

W.K Roetgen scopre i raggi XA.H. Becquerel scopre la radioattivita’ : “radiazione invisibile emessa da sostanze fosforescenti” ( sali d’uranio)

I pionieri

1898 Pierre e Marie Curie scoprono il polonio e il radio

La natura della radioattivita’

1899 E. Rutherford studia le proprieta’ delle radiazioni ionizzanti emesse dall’uranio:

Ipotesi: il decadimento radioattivo implica la trasmutazione da un elemento chimico ad un altro

Esempi : ( notazione ZNA)

1) decadimento 92U

238 -> 90 Th

234 + 2He

4 ( He e' detto )

Il numero di nucleoni prima e dopo il decadimento non cambia238 ( prima dell'urto ) = 234 + 4 (dopo l'urto)

2) decadimento 90 Th

234 -> 91Pa

234 + e- ( lo e- e' detto )

Anche in questo caso il numero totale di nucleoni non cambiama un neutrone del Torio e' decaduto in un protone + elettrone + neutrino

3) decadimento 91Pa

234 -> 91Pa

234 + ( e' una radiazione elettromagnetica)

Tutti i radionuclidi sono raggruppati in famiglie di elementi che decadono fino ad un isotopo stabile del Pb con legge esponenziale:

N(t) = N0 e-t

essendo la vita media

L’attivita’di una sorgente e’ definita dal numero di disintegrazioni nell’unita’di tempo.

Si definiscono le seguenti grandezze:

1) unita' di attivita' : Becquerel : 1 Bq = 1 disintegrazione/soppure Curie: 1 Ci = 3.7x1010 disintegrazioni/s

2) unita' di Dose assorbita: Gray(Gy) che misura l'energia E assorbitada un corpo di massa M -> D = E/M1 Gy = 1 Joule/kg = 6.24 x 1015 keV/kg

3) unita' di Dose equivalente (di danno biologico) : sievert (Sv)Dose equivalente = Dose assorbita w Sv = Gy w -> 1 Sv = 1 Gy se w = 1

ove w dipende dal tipo di radiazione : w=1 per (elettroni), (fotoni)e muoni; w = 20 per .

Effetti biologici della radiazione

L’eccitazione e la ionizzazione delle molecole del tessuto inducono un danno cellulare

• danno diretto al DNA dovuto alla rottura dei legami molecolari

• danno indiretto dovuto alla ionizzazione di molecole di H2O con creazione di radicali liberi che attaccano chimicamente le cellule

Oltre alla radioattivita' naturale, si e' soggetti alla radiazione dovuta alle 'attivita' umane':

radiografie;

TAC;

trattamenti radioterapeutici;

emissione di centrali nucleari (in prima approssimazione, non in Italia).

Radiazione ionizzante naturale e artificiale

Dose totale annuale2.2 mSv

87% naturale

13% artificiale

Confronto dei valori dovuti alla radioattivita' naturale che va da 0.4 a 4 mSv/anno (con punte in certe regioni del mondo a 50 mSv/anno) con alcune sorgenti di radioattivita' artificiale[ per irraggiamento con fotoni o elettroni 1Gy = 1 Sv poiche’ w = 1]

1) Radiografia al torace: Dose equivalente = 1 mSv (equivalente a circa 2 anni di radioattivita' naturale.)

2) TAC: Dose equivalente 10 mSv (equivalente a circa 20 anni diradioattivita' naturale.)

3) trattamento radioterapeutico (trattamento per i tumori):Dose equivalente 50 Sv (tutte le cellule del bersaglio sono distrutte.)

Esaminiamo ora le apparecchiature e i rivelatori che stanno attorno ai trattamenti radioterapeutici:

• acceleratori di particelle

1. ciclotroni

2. linac

3. sincrotrone

• rivelatori per la misura della dose

Uso delle radiazioni per il trattamento radioterapeutico

Terapia dei tumori con radiazioni

100 % of tumor patients

Treatment available45 %

Treatment non available55 %

Local treatments(surgery, radiotherapy)

40 %

Systemic treatments(chemotherapy, etc)

5 %

Surgery alone22 %

With radiotherapy18 %

90 % 10 %

56 % 44 %

40 %40 %of totalof total

ciclotrone

F = q E

F = q v B

ove E campo elettrico e B campo magnetico

Linac per elettroni a Frascati-INFN: 3 GHz

Sorgente di protoni o

di ioni carbonio

300 MHz

Linac

sincrotrone

ADONE a Frascati - 1969

25 m

Cavità a RF: 1- 5 MHz

I radioterapisti usano un solo tipo di acceleratore: linac per elettroni

target

Multileaf collimator

3 GHz Electron linac

270 bending magnet

e- X on target

Flattening filters

Ion chambers

Maximum dose rate: ~ 5 Gy/min

Testata rotante, collimatore multilamellare esistema piani di trattamento (TPS)

Piano di trattamento (TPS) e’ l’insieme di operazioni della macchina acceleratrice per ottenere la dose prescritta dal medico nel volume da trattare.

Quindi il TPS definisce l’angolo da cui si irraggia il paziente e la forma

Gli “adroni” sono

fatti di quark

ione carbonio =

6 protoni + 6 neutroni

atomo

protone o

neutrone

quark “u” o “d”

elettrone “e”

Cosa sono gli adroni?

Trattamento terapeutico d’avanguardia prevede l’uso di adroni

(PSI – Villigen)

200 MeV protons

4700 MeV Carbon

Spread Out Bragg Peak

Distribuzione della perdita di energia in funzione della profondita’ per

• elettroni

• raggi X

• protoni e ioni Carbonio

picco di Bragg

profondita’ del picco e’ funzione della energia dell’adrone

Vantaggio macroscopico dell’ adroterapia

Photons Protons

Rapid fall-off

raggi X protoni

I protoni sono piu’ precisi dei raggi X: esempio

tumore tra gli occhi

9 fasci X 1 fascio di protoni

Vantaggio microscopicodegli ioni carbonio

1 10 100 LET

RBE

4

3

2

1

10 – 20 keV/mm = 100 – 200 MeV/cm =

20 – 40 eV/(2 nm)

Passive system

Active system

Beam delivery system

Rivelatori per la misura della dose in funzione della posizione (x,y) e del tempo:

• granularita’ sufficiente per determinare la forma esatta del fascio

• velocita’ di reazione adeguata per poter bloccare il trattamento se il sistema di trattamento non segue le specifiche richieste dal piano di trattamento

camera a ionizzazione

Principio della camera a ionizzazione:

-

+

-

+V -V

catodoanodo

si raccoglie una corrente proporzionale al numero di particelle cariche che attraversano la camera nell’unita’ di tempo

particella carica

Pixel chamber

Parallel plate ionization chamberAnode segmented in 1024 pixelsPixel dimension = 7.5 7.5 mm2

Sensitive area = 24 24 cm2

25 μm kapton + 20 μm copperDigital output (16 bit)1024 independent electr. channelsReadout time = N. of Pixel 100 nsNo dead timeTested 2 times at GSI on therapeutical beam

Produced by INFN Torino

Front-end electronics

TERA05 VLSI chip designed by INFN Torino

• 64 channels• digital output (16 bit)• sensitivity between 100 and 800 fC

• max frequency = 5 MHz• readout frequency = 10 MHz• no dead time

Collaboration (INFN To)

The chip has been produced and is used by

IBA and Wellhofer/Scanditronix

Research Industry

Collaboration (INFN To)

CATANA ProjectLaboratori Nazionali del Sud

INFNCatania

Strip detectors andelectronicsto monitor (x and y):• beam position• symmetry

Test at GSI - results

•E = 200.3 MeV/u•Intensity = 2108 ions/spill

σ = 0.8 %

•Uniform dose on 12×12 cm2

•FWHM = 7.1 mm

Spatial resolution <

0.2 mm

GSI test - results

Pixel chamber for photon

2D dose verification

CNAO

Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica

CNAO building

The accelerator