Laurea Magistrale in Fisica Ottimizzazione del disegno di

Laurea Magistrale in Fisica Ottimizzazione del disegno di un dosimetro per trattamenti adroterapeutici Angela Bollella Relatore: Riccardo Faccini Correlatore: Cecilia Voena 20 Dicembre 2013

SOMMARIO 1. ADROTERAPIA 2. PROGETTO DI RICERCA § Il dosimetro 1. OTTIMIZZAZIONE DEL DISEGNO DEL DOSIMETRO: § Ricostruzione componente neutra del flusso secondario proveniente dal paziente 2. CONCLUSIONI 20/12/2013 Angela Bollella 2

ADROTERAPIA Trattamento 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 20/12/2013 Angela Bollella 3

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 FASCIO DI IONI CARBONIO (trattamento dose 2 Gy) COMPONENTE NEUTRA Interazione con il tessuto bersaglio 20/12/2013 COMPONENTE CARICA Fotoni prompt da diseccitazione nucleare Angela Bollella 4

Dosimetria MISURA ENERGIA RILASCIATA DALLA RADIAZIONE NELLA MATERIA FOTONI PARTICELLE CARICHE Interazioni coulombiane con gli atomi del materiale attraversato Controllo della dose dai parametri del fascio terapeutico 20/12/2013 Sistema di monitoraggio in tempo reale del deposito di dose Angela Bollella 5

Il dosimetro DIFFUSIONE COMPTON CRISTALLO DI LYSO FOTONI X, Y 20 x 2 cm 3 Lettura con 16 fotomoltiplicatori multianodo Hamamatsu H 8500 Z TRACCIATORE SCINTILLATORE PLASTICO ELETTRONI 6 piani fibre 500 μm (X, Y) a intervalli di 2 cm Area 19. 2 x 19. 2 cm 2 Lettura a gruppi di due con Si. PM 1 mm 2 20/12/2013 Angela Bollella 20 x 1. 5 cm 3 e distanza 2 cm dall’ultimo piano di fibre. Lettura con fibre wavelength shifter e due Si. PM 6

Simulazione MONTE CARLO Simulazione delle grandezze caratteristiche di un sistema di particelle per estrapolare le proprietà fisiche del sistema stesso Sorgente di emissione puntiforme a cono (apertura angolare circa accettanza del rivelatore) a 30 cm dal rivelatore Spettro di energia (Me. V) dei fotoni prompt SELEZIONE EVENTI COMPTON § § Elettroni con almeno tre piani del tracciatore attraversati C. Agodi, F. Bellini et al. Precise measurement of prompt photon emission for carbon ion therapy, JINST 7 P 0301 (2012) Fotoni diffusi al LYSO 20/12/2013 Angela Bollella 7

OTTIMIZZAZIONE DEL DISEGNO DEL DOSIMETRO 6 PIANI DI SCINTILLATORE PLASTICO 10 x 10 cm 2 (X, Y) a intervalli di 0. 95 cm Spessori 0. 5 mm, 1 mm e 2 mm SCINTILLATORE PLASTICO 10 x 1. 5 cm 3 Risoluzione delle fibre CRISTALLO DI LYSO 10 x 3 cm 3 distribuzione simulata di σ=300 μm v 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 20/12/2013 Angela Bollella 8

RISOLUZIONE SULLA DIREZIONE DELL’ELETTRONE COMPTON Deviazione angolare scattering multiplo Risoluzione sul coefficiente angolare 1° piano attraversato: fit di Kalman EFFICIENZA DI TRACCIAMENTO Frazione di eventi in cui la traccia ricostruita è compatibile con quella dell’elettrone Compton 20/12/2013 Angela Bollella 9

v TRACCIAMENTO FOTONE COMPTON § Si considera la congiungente il punto di intersezione della traccia dell’elettrone Compton con il piano del LYSO a z=z. LYSO § Si misura la distanza tra il punto di intersezione e le coordinate del rilascio energetico nel LYSO Generazione FOTONI OTTICI dal fotocatodo Ø Distibuzione spaziale dei rilasci energetici tramite registrazione con fotomoltiplicatori multianodo 20/12/2013 Angela Bollella 10

RISOLUZIONE SULLA DIREZIONE DEL FOTONE COMPTON COORDINATARECO (fit Gaussiano bidimensionale) - COORDINATAVERA (Monte Carlo) Risoluzione spaziale coordinata x (cm) Risoluzione spaziale coordinata y (cm) σcorr = (0. 060 ± 0. 010) cm 20/12/2013 σcorr = (0. 062 ± 0. 001) cm Angela Bollella 11

RISOLUZIONE SULLA DIREZIONE DEL FOTONE COMPTON Dipendenza σx dalla profondità di interazione dei fotoni Compton nel LYSO Risoluzione spaziale coordinata Z (cm) A, B costanti del fit Gaussiano bidimensionale 20/12/2013 Angela Bollella σcorr = (0. 124 ± 0. 002) cm 12

OTTIMIZZAZIONE PER LA RICOSTRUZIONE DEI FOTONI COMPTON Distribuzione dei depositi energetici fotoni e elettroni (Me. V) nel LYSO 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 20/12/2013 Angela Bollella 13

Ricostruzione fotone primario Direzione fotone Compton al LYSO dal fit Gaussiano bidimensionale Direzione elettrone Compton nel tracciatore dal fit di Kalman c 1 MC = 0. 538 ± 0. 005 20/12/2013 Angela Bollella 14

OTTIMIZZAZIONE DELLO SPESSORE DEI PIANI DI FIBRE RISOLUZIONE SPAZIALE DEL FOTONE PRIMARIO Proiezione di sul piano ortogonale all’asse z dove è posta la sorgente xproj = x. RECO - x. VERA fit Gaussiano σ=risoluzione Sorgente puntiforme a cono Eventi selezionati: selezione eventi Compton risoluzione complessiva fotoni Compton ricostruiti Risoluzione spaziale migliore per i piani di scintillatore plastico con spessore 1 mm e 2 mm 20/12/2013 Angela Bollella 15

RISOLUZIONE SPAZIALE DEL FOTONE PRIMARIO Piano di scintillatore plastico con spessore 2 mm Distribuzione xproj = x. RECO - x. VERA RISOLUZIONE SUL SINGOLO FOTONE PRIMARIO σ = (80. 99 ± 1. 15) mm RISOLUZIONE COMPLESSIVA DEI FOTONI COMPTON RICOSTRUITI = (1. 00 ± 0. 014) mm x. RECO – xvera (mm) Statistica riscalata a un trattamento tipico di adroterapia Risoluzione spaziale σ = (2. 21 ± 0. 031) mm 20/12/2013 Angela Bollella 16

CONCLUSIONI Ø OBIETTIVI RAGGIUNTI ü 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 Ø PROSSIMI STUDI DI OTTIMIZZAZIONE DEL DOSIMETRO ü Implementare aspetti realistici del rivelatore (es. efficienza delle fibre) ü Studio coppie dall’interazione del fotone primario nel rivelatore ü Studio componente carica del flusso secondario 20/12/2013 Angela Bollella 17