Applicazioni del Codice di Simulazione Monte Carlo GEANT4

nella Dosimetria di un Centro di Adroterapia

Cirrone G.A.P., Cuttone G., Guatelli S., Lojacono P.A.,Lo Nigro S., Raffaele L., Pia M.G., Sabini M.G.

Laboratori Nazionali del Sud (INFN)Catania, ITALY

&INFN Sezione di Genova

1. Perchè iniziare un lavoro di simulazione

2. Codice scelto

3. Simulazione del rivelatore e della linea

4. Validazione per confronto con dati sperimentali

Il ciclotrone Superconduttore

di Catania è l’unica macchina in Italia utile per applicazioni di

adroterapia

Trattamento del melanoma della

coroide e dell’iride

Circa 300 casi all’anno in ItaliaG.A.P. Cirrone Laboratori Nazionali del Sud – INFN ,

Catania

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Il vantaggio dell’utilizzo dei protoni nella radioterapia rispetto altri tipi di radiazioni, risiede nella favorevole distribuzione di dose nei tessuti

Curva di Bragg per un fascio di protoni da 200 AMeV

Stato attuale della linea di protonterapia

dei Laboratori Nazionali del Sud

La terapia con adroni rappresenta ancora una tecnica pionieristica

Ad oggi lo sviluppo di una linea di protonterapia richiede un lungo lavoro sperimentale legato alla mancanza di

adeguati tools di simulazione

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Interesse nell’iniziare un lavoro di simulazione Monte Carlo capace di simulare interamente la linea di fascio e

riprodurne le distribuzioni di dose rilasciate

Tale lavoro riguarda:

•Aspetti legati alla progettazione della linea di trasporto di fascio

Test dei suoi elementi;

Test dei rivelatori;

•Aspetti legati al calcolo delle distribuzioni di dose

Verifica delle distribuzioni di dose anche in condizioni in cui è difficile lamisura ( ex. vicino organi critici del paziente inserendoanche immagini TAC );

It’s impossible to conceive a modern detector w/o simulation

Rossi and Greisen 1941, Rev. Mod. Phys. 13:240

Tool di simulazione scelto:

GEANT4 /C++

• Codice libero e “ trasparente “completamente scaricabile dalla rete www.cern.ch/geant4;

• Utilizzabile su diverse piattaforme (Window, Unix, Sun)

•Basato su tecnologia Object Oriented: facilmente implementabile, anche da più persone separatamente, flessibile, sviluppabile in modo incrementale senza per questo aumementare la complessità del codice;

• Simulazione di qualunque geometria;G.A.P. Cirrone Laboratori Nazionali del Sud – INFN , Catania

•Scelta “ trasparente “ di un elevato numero di processi che vanno dalla fisica elettromagnetica delle basse energie a quella adronica;

• Interfacciabile sia per quanto riguarda la parte di visualizzazione che quella di analisi;

•Costantemente aggiornato da circa cento sviluppatori che offrono anche un supporto di tipo tecnico;

•Buona documentazione;

GEANT4 /C++

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Simulazione completa della linea con tutti i suoi elementi, e i due rivelatori adoperati per la misura

della:•Distribuzione di dose in profondità in acqua

( curva di Bragg ): camera a ionizzazione Markus;

•Distribuzione laterale di dose: rivelatore chimico di tipo GAF;

1. Validazione del rivelatore (confronto con dati di letteratura);

2. Simulazione e validazione della linea completa(confronto con i dati sperimentali disponibili);

SVILUPPO DELLA NOSTRA APPLICAZIONE GEANT4/C++: hadronTherapy.cc

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Confronto Geant4 - ICRU

Rivelatori immersi in acqua sull’asse del fascio

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VALIDAZIONE DEL RIVELATORE SIMULATO

Validazione del rivelatore simulato

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VALIDAZIONE DELLA LINEA

Confronto Geant4 - dati sperimentali

Package basse energie +

fisica adronica

Differenze al di sotto del 3% anche sul picco

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VALIDAZIONE DELLA LINEA

Sistema di diffusione del fascio

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SIMULAZIONE DI UN PARTICOLARE

DISTRIBUZIONE LATERALE DI DOSE SPERIMENTALE E SIMULATA ALL’ISOCENTRO

Differenze nelle cadute di dose = 0.5 %

Differenza nella FWHM = 0.5 %

Differenza nella zona omogenea = 2 %

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CONCLUSIONI E SVILUPPI FUTURI

•G4 si è rivelato un buon toolkit MC per applicazioni mediche;

•Stiamo acquisendo esperienza per sfruttarne tutte le potenzialità;

•La validazioni su dati sperimentali sta per essere conclusa;

Simulazione del modulatore di energia del fascio

Immagini DICOM

Confronti statistici delle distribuzioni di dose con rivelatori 2D e sistemi di treatment planning

TOOL PER STUDIARE NUOVE LINEE PER FUTURI PROGETTI ADROTERAPICI

•CNA - Pavia

•Centro di Adroterapia - Catania

CONCLUSIONI E SVILUPPI FUTURI