STUDIO E CARATTERIZZAZIONE DI UNA SORGENTE DI PROTONI PER APPLICAZIONI DI RADIOBIOLOGIA

Facoltà di Ingegneria Civile e IndustrialeCorso di laurea in Ingegneria BiomedicaCattedra di Radioprotezione e Complementi di Fisica

Candidato Stefano D’Orazio1106164

RelatoreProf. Vincenzo Patera

A/A 2010/2011

CorrelatoreDott. Concetta Ronsivalle (ENEA)Dott. Andrea Mostacci

Il Progetto TOP-IMPLART

2 vantaggi rispetto alle tecniche tradizionali

Picco di Bragg

Selettività spaziale

RBE

Efficacia biologica massima nel picco di dose

depositata

Obiettivo finale: realizzazione di un centro per protonterapia a Roma (IFO) basato su un acceleratore lineare da 230 MeV

Intensity Modulated Radiation Therapy Intensity Modulated Proton Therapy

Descrizione del Progetto

1° FASE

LINAC2LINAC1INIETTORE

SCDTL CCL1 CCL2

7 MeV 40 MeV 150 MeV 230 MeV

Energia

2° FASE

ENEA-Frascati IFO-Roma

Il LINAC da 230 MeV verrà realizzato in due fasi distinte

Centro di Protonterapia - IFO

Stanze per il trattamento Energia del fascio proporzionale al numero di moduli di accelerazione attraversati

150 MeV230 MeV

52 m

16,5 m

Tumori

testa-collo

Tumori profondi

Generatori a RF

L’Iniettore

Il linac si basa su un’iniettore lineare da 7 MeV: l’Accsys-Hitachi PL-7

Frequenza di lavoro 4250.1 MHz

Energia del fascio all’uscita della sorgente duoplasmatron

30 keV

Energia del fascio all’uscita dell’RFQ 3.0 MeV

Energia del fascio all’uscita del DTL 7.0 MeV

Corrente massima all’uscita dell’iniettore

0.3-30 µA

Durata degli impulsi del fascio (FWHM)

3-7 µs

Variabilità corrente tra un impulso e l’altro (pulsed)

10-100 %

Frequenza di ripetizione degli impulsi

30-300 Hz

Il Progetto ISPANObiettivo finale: realizzare un impianto di riferimento per la radiobiologia

con protoni

distribuzione e misurazione della dose inviata al campione

Analisi radiobiologiche

Esperimenti previsti

Irradiazione cellule V79 (1-7 MeV)

Irradiazione piccoli animali (17,5 MeV)

1) VALUTAZIONE EFFICACIA TERAPEUTICA2) STANDARDIZZARE PROTOCOLLI DI TRATTAMENTO

Obiettivo del Lavoro

Ottimizzare un sistema per il rilascio della dose da utilizzare per l’irraggiamento delle colture cellulari con un fascio di protoni a bassa energia (1 – 7 MeV)

1) Caratterizzazione del fascio all’uscita dell’iniettore:

Misure di emittanza e parametri di Twiss- dimensioni e divergenza

- energia Misure di range e picco di Bragg

2) Messa a punto di un sistema di rilascio di dose su campioni biologici e del sistema di misura della dose nella posizione del campione

3) Ottimizzazione del setup sperimentale in accordo con i requisiti richiesti dagli esperimenti di radiobiologia in termini di dose (0,1 Gy - 6 Gy) e uniformità di irraggiamento

Misure di Emittanza e parametri di Twiss

Ottenuti i dati sperimentali con il metodo dei minimi quadrati si ricavano i valori ottimali di emittanza e parametri di Twiss all’uscita dell’iniettore

ε= A/π

α inclinazione

β divergenza

εyεy= 2,492 mm-mrad

βy= 0,150 mm/mrad

αy= -0,111

Risultati OttenutiMisure di emittanza e parametri di Twiss ricavate in diversi punti di lavoro dell’iniettore

Migliori risultati ottenuti nel terzo punto di lavoro

VLU= 26 kV

Vextr= 26 kV

εy αy βy

2,492 mm-mrad

-0,111 0,150 mm/mrad

Misure di Range a 3 MeVrange medio: distanza alla quale T=50 %

T= particelle trasmesse/particelle incidenti

Spessore finestra di uscita dei protoni

80 µm 50 µm

1,51 MeV 2,15 MeV

2 condizioni sperimentali di misura

Strati di PVC utilizzati

Risultati Ottenuti

Misura Spessore kapton range

1 80 µm 49 ± 2,5 µm

2 80 µm 46 ± 2,5 µm

3 50 µm 75 ± 2,9 µm

Confronto tra Misure e Simulazioni

misure di range confrontate con i range proposti da SRIM 2011

SRIM: Stopping and Range of Ions

in Matter

permette di calcolare l’andamento

delle traiettorie degli ioni nella

materia

SRIM 2011 è basato su un metodo di calcolo Montecarlo,

nell’approssimazione della collisione binaria

Confronto tra Misure e Simulazioni

Misura Simulazione

49 ± 2,5 µm 45 µm

46 ± 2,5 µm 45 µm

75 ± 2,9 µm 79 µm

Il Picco di Bragg

13 strati di film gafcromico in pila irraggiati per 30 s da protoni a 7 MeV

mBraggdiPicco 4,14480

Ottimizzazione della Linea di Trasporto a Valle dell’Iniettore

Linea di trasporto per l’irraggiamento con fascio orizzontale

Ottimizzazione eseguita con un programma di simulazione di dinamica del fascio:

TRACE3D

ottimizzazione

Ricerca dei valori di gradiente magnetico dei quadrupoli

PER

Ottenere determinate dimensioni del fascio nel punto di irraggiamento

Ottimizzazione della Linea di Trasporto a Valle dell’Iniettore

Linea di trasporto per irraggiamento con fascio verticaleMagnete di deflessione produce un aumento di emittanza del fascio nel

piano in cui il fascio curva

Problemi a focalizzare il fascio nel piano

verticale

Misure Preliminari di Dose

Stima della dose rilasciata dal fascio di protoni

CVQ

RA

NED

ett

pf

arg

Carica accumulata

Dose assorbita

Capsula di Petri Range in acqua

Dose Assorbita e Carica Accumulata

Intervallo di dose per esperimenti di radiobiologiaGy61,0

CaricaDose 63,4

fascio

ettp E

RADN

arg

pp NqQ

CaricaDose 63,4

Calibrazione del fascio

Analisi DosimetricaRappresenta la verifica della dose realmente depositata dal fascio di protoni.

Test preliminari condotti utilizzando il rilevatore a tracce nucleari CR39:

-Si irraggia il rivelatore: traccia latente

-Etching: la traccia latente viene resa visibile al microscopio ottico

LETD 19106,1

rivelatoreSuperficie

tracceNumero

dS

dN Numero di particelle dN incidenti

sulla superficie dS

Irraggiamento dei Rivelatori

Irraggiati 2 rivelatori CR39

1) 20 impulsi di protoni, corrispondenti ad una carica accumulata pari a 4 pC

2) 50 impulsi di protoni, corrispondenti ad una carica accumulata pari a 10 pC

Frequenza di ripetizione 50 Hz

Durata dell’impulso 21 μs

Tensione di estrazione 26,7 kV

Tensione d’arco 169 V

0,2 pC per impulso

Condizioni di irraggiamento

Conclusioni…

Il lavoro di tesi svolto nei laboratori dell’ENEA di Frascati ha permesso di:

Determinare le carateristiche del fascio all’uscita dell’iniettore

Misure di emittanza e parametri di Twiss

Misure di range e picco di Bragg

Ottimizzare un sistema di rilascio della dose per l’irraggiamento dei campioni cellulari

Avviare l’ottimizzazione del setup sperimentale in accordo con i requisiti richiesti dagli esperimenti di radiobiologia in termini di dose (0,1 Gy - 6 Gy) e uniformità di irraggiamento

… e Sviluppi Futuri

1) Le condizioni sperimentali per le quali si riesce ad inviare una dose contenuta nell’intervallo richiesto

2) Una relazione di proporzionalità lineare tra numero di impulsi inviati e dose assorbita

Irraggiamento campioni biologici e analisi radiobiologiche

L’analisi dosimetrica permetterà di ricavare