Laurea Magistrale in Fisica

Ottimizzazione del disegno di un dosimetro per trattamenti adroterapeutici

Angela Bollella

Relatore: Riccardo Faccini Correlatore: Cecilia Voena

20 Dicembre 2013

Angela Bollella 2

SOMMARIO

1. ADROTERAPIA

2. PROGETTO DI RICERCA Il dosimetro

3. OTTIMIZZAZIONE DEL DISEGNO DEL DOSIMETRO: Ricostruzione componente neutra del flusso secondario

proveniente dal paziente

4. CONCLUSIONI

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ADROTERAPIATrattamento di tumori con fasci di adroni (ioni leggeri e protoni)

Picco di Bragg

Rispetto alla radioterapia (fotoni)

Maggior rilascio di energia sul volume tumorale

Minori danni ai tessuti sani circostanti il tumore

DOSE ASSORBITA

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PROGETTO DI RICERCA

Realizzazione di un dosimetro per trattamenti adroterapeutici

OBIETTIVO Ricostruire la distribuzione spaziale del rilascio di dose con una

risoluzione millimetrica durante il trattamento del paziente

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FASCIO DI IONI CARBONIO

(trattamento dose 2 Gy)COMPONENTE CARICA

COMPONENTE NEUTRAFotoni prompt da

diseccitazione nucleare

Interazione con il tessuto bersaglio

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Sistema di monitoraggio in tempo reale del deposito di dose

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DosimetriaMISURA ENERGIA RILASCIATA

DALLA RADIAZIONE NELLA MATERIA

Controllo della dose dai parametri del fascio terapeutico

FOTONI

Interazioni coulombiane con gli atomi del materiale attraversato

PARTICELLE CARICHE

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Il dosimetro

TRACCIATORE SCINTILLATORE PLASTICO

CRISTALLO DI LYSO

Z

X,Y

ELETTRONI6 piani fibre 500 μm (X,Y) a intervalli di

2 cm Area 19.2 x 19.2 cm2 Lettura a gruppi di due con SiPM 1 mm2

ELETTRONI20 x 20 x 1.5 cm3 e distanza 2 cm

dall’ultimo piano di fibre. Lettura con fibre wavelength shifter e due SiPM

FOTONI20 x 20 x 2 cm3 Lettura con 16 fotomoltiplicatori multianodo

Hamamatsu H8500

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DIFFUSIONE COMPTON

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Simulazione MONTE CARLOSimulazione delle grandezze caratteristiche di un sistema di particelle per

estrapolare le proprietà fisiche del sistema stesso

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C.Agodi, F.Bellini et al. Precise measurement of prompt photon emission for carbon ion therapy,

JINST 7 P0301 (2012)

Spettro di energia (MeV) dei fotoni promptSorgente di emissione puntiforme a cono (apertura angolare circa accettanza del

rivelatore) a 30 cm dal rivelatore

SELEZIONE EVENTI COMPTON

Elettroni con almeno tre piani del tracciatore attraversati

Fotoni diffusi al LYSO

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6 PIANI DI SCINTILLATORE PLASTICO 10 x 10 cm2 (X,Y) a intervalli di 0.95 cm Spessori 0.5 mm, 1 mm e 2 mm

SCINTILLATORE PLASTICO 10 x 10 x 1.5 cm3

CRISTALLO DI LYSO 10 x 10 x 3 cm3

OTTIMIZZAZIONE DEL DISEGNO DEL DOSIMETRO

TRACCIAMENTO ELETTRONE COMPTON Segmenti di traccia: coppie dei rilasci energetici in piani

scintillanti adiacenti

Rilascio del piano successivo deve minimizzare la distanza tra la posizione predetta e quella del rilascio

Kalman filter

Risoluzione delle fibre distribuzione simulata di σ=300 μm

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Frazione di eventi in cui la traccia ricostruita è compatibile con quella dell’elettrone Compton

EFFICIENZA DI TRACCIAMENTO

RISOLUZIONE SULLA DIREZIONE DELL’ELETTRONE COMPTON

Deviazione angolare scattering multiplo Risoluzione sul coefficiente angolare

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1° piano attraversato:

fit di Kalman

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Si considera la congiungente il punto di intersezione della traccia dell’elettrone Compton con il piano del LYSO a z=zLYSO

Si misura la distanza tra il punto di intersezione e le coordinate del rilascio energetico nel LYSO

TRACCIAMENTO FOTONE COMPTON

Generazione FOTONI OTTICI dal fotocatodo

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Distibuzione spaziale dei rilasci energetici tramite registrazione con fotomoltiplicatori multianodo

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RISOLUZIONE SULLA DIREZIONE DEL FOTONE COMPTON

Risoluzione spaziale coordinata x (cm) Risoluzione spaziale coordinata y (cm)

σcorr = (0.060 ± 0.010) cm σcorr = (0.062 ± 0.001) cm

COORDINATARECO (fit Gaussiano bidimensionale) - COORDINATAVERA (Monte Carlo)

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Dipendenza σx dalla profondità di interazione dei fotoni Compton nel LYSO

Risoluzione spaziale coordinata Z (cm)

σcorr = (0.124 ± 0.002) cm A, B costanti del fit Gaussiano bidimensionale

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RISOLUZIONE SULLA DIREZIONE DEL FOTONE COMPTON

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OTTIMIZZAZIONE PER LA RICOSTRUZIONE DEI FOTONI COMPTON

Distribuzione dei depositi energetici fotoni e elettroni (MeV) nel LYSO

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Scintillatore plastico davanti al LYSO ASSORBITORE DEGLI ELETTRONI

Ridurre fenomeno di back scattering

Minimizzare rilasci di energia nel LYSO

EFFICIENZA DI RIVELAZIONE NELLO SCINTILLATORE PLASTICO Numero di elettroni Compton che rilasciano energia

nello scintillatore plastico rispetto a quelli valutati con l’algoritmo di ricostruzione

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Ricostruzione fotone primario

c1MC

= 0.538 ± 0.005

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Direzione fotone Compton al LYSO dal fit Gaussiano bidimensionale

Direzione elettrone Compton nel tracciatore dal fit di Kalman

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OTTIMIZZAZIONE DELLO SPESSORE DEI PIANI DI FIBRE

Proiezione di sul piano ortogonale all’asse z dove è posta la sorgente xproj = xRECO - xVERA fit Gaussiano σ=risoluzione

RISOLUZIONE SPAZIALE DEL FOTONE PRIMARIO

Sorgente puntiforme a cono Eventi selezionati: selezione eventi Compton

Risoluzione spaziale migliore per i piani di scintillatore plastico con spessore 1 mm e 2 mm

risoluzione complessiva fotoni Compton ricostruiti

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RISOLUZIONE SUL SINGOLO FOTONE PRIMARIO

Distribuzione xproj = xRECO - xVERA

σ = (80.99 ± 1.15) mm

RISOLUZIONE COMPLESSIVA DEI FOTONI COMPTON RICOSTRUITI

= (1.00 ± 0.014) mm

xRECO – xvera (mm)

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RISOLUZIONE SPAZIALE DEL FOTONE PRIMARIO Piano di scintillatore plastico con spessore 2 mm

Statistica riscalata a un trattamento tipico di adroterapiaRisoluzione spaziale σ = (2.21 ± 0.031) mm

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CONCLUSIONIOBIETTIVI RAGGIUNTI

Miglioramenti sulla configurazione del disegno del dosimetro:- Necessità di uno scintillatore plastico davanti al LYSO come

assorbitore di elettroni Compton- Ottimizzazione dello spessore dei piani di fibre: risoluzione spaziale

σ = (2.21 ± 0.031) mm con statistica riscalata a un trattamento tipico di adroterapia

PROSSIMI STUDI DI OTTIMIZZAZIONE DEL DOSIMETRO

Implementare aspetti realistici del rivelatore (es. efficienza delle fibre)

Studio coppie dall’interazione del fotone primario nel rivelatore Studio componente carica del flusso secondario

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