Facoltà di IngegneriaCorso di Laurea in Ingegneria Biomedica

Ottimizzazione di una “facility” di irraggiamento sperimentale con protoni

Correlatore Relatore Dott.ssa Concetta Ronsivalle (ENEA) Prof. Vincenzo Patera Dott. Andrea Mostacci

Candidato Fabrizio Ambrosini

Anno Accademico 2012-2013

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

Vantaggi rispetto alle tecniche tradizionali:

- Rilascio di dose in corrispondenza del Picco di Bragg

- Maggiore efficacia biologica della radiazione (RBE)

Picco di Bragg

Assenza di irradiazione

Trattati 96537 pazienti (2011)

Il Progetto TOP-IMPLART

Differenza tra IMRT e IMPT

7 campi con IMRT 2 campi con IMPTConfronto tra IMRT e IMPT

Migliore efficacia del trattamento protonterapico

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

Nella realizzazione del LINAC sono previste due fasi:

1° fase

ENEA - Frascati

150 MeV

150 MeV + Beam Delivery

Il Progetto TOP-IMPLART

Stanziati 11 milioni di euro in 3 anni

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

Nella realizzazione del LINAC sono previste due fasi:

2° fase

IFO - Roma230 MeV

230 MeV + Beam DeliveryTumori testa-colloTumori profondi

230 MeV 150 MeV

52 m

16.5 m

Layout definitivo presso l’ IFO di Roma

Il Progetto TOP-IMPLART

Layout attuale

A) SorgenteB) RFQC) DTLD) Alimentazione a RF

DA B

C

Iniettore: l’Accsys-Hitachi PL-7

Frequenza di lavoro 4250.1 MHzEnergia del fascio all’uscita della sorgente duoplasmatron

30 keV

Energia del fascio all’uscita dell’RFQ 3.0 MeVEnergia del fascio all’uscita del DTL 7.0 MeVCorrente massima all’uscita dell’iniettore 0.3-30 µADurata degli impulsi del fascio (FWHM) 3-7 µsVariabilità corrente tra un impulso e l’altro (pulsed)

10-100 %

Frequenza di ripetizione degli impulsi 10-200 Hz

Evoluzione del fascio nell’iniettore

Layout attualeUscita linea verticale

Q 1 Q 2

Magnete 90°

Uscita linea orizzontale

Q 3 Q 4

BqvmR

LEBT

Traiettoria del fascio di protoni all’interno della LEBT

Necessità di impiegare in sequenza un magnete focheggiante in un piano ed uno focheggiante nel

piano opposto.

Radiobiologia a bassa energia

Verticale: fino a 7 MeV (0.6mm)

Orizzontale: 17.5 MeV (3mm) Piccoli animali

Cellule

Fascio verticale

Strato di cellule sottostanti

Strato di cellule sovrastanteTerreno di coltura

1

2

Studi su cellule flottanti nel terreno di coltura (Linfociti)

Studi relativi agli effetti indiretti 7 MeV

17.5 MeV

• Standardizzare protocolli di trattamento

• Valutare l’efficacia terapeutica dei trattamenti

L’effetto bystander: mediato dalla diffusione di uno o più

fattori dalle cellule irradiate alle cellule non irradiate, a livello delle

quali si legano a recettori citoplasmatici e/o di membrana.

Obiettivo del Lavoro

Ottimizzazione dei parametri dell’iniettore e degli elementi che compongono la linea di trasporto verticale e orizzontale ai fini della sperimentazione

radiobiologica

3) Messa a punto di un sistema di caratterizzazione dei PMQ relativi al primo modulo SCDTL (7÷11.6 MeV).

1) Calcoli numerici del trasporto del fascio orizzontale, verticale e test sperimentali

2) Irraggiamenti:

• Dosimetri CR-39 (ISS)

•Rivelatori a film di LiF (UTAPRAD-MNF)

Dosimetria preliminare all’irraggiamento delle V79

Indagine delle potenzialità dei rivelatori a Film di LiF per fasci di

protoni a bassa energia

Calcoli numerici sul trasporto del fascio

TRACE3D:

Drift

Magnete

Quadrupoli

Fascio “nature”

Prima coppia di quadrupoli:

G1 (T/m) 0G2 (T/m) 0

Calcoli numerici sul trasportodel fascio orizzontale

G1 (T/m) -9.860G2 (T/m) 10.683

Da 6.5 mm (R campioni biologici) a 2.4 mm (Rx=Ry)

Flangia di uscita dell’iniettore

Flangia di uscita dell’iniettore

… i valori dei gradienti dei quadrupoli corrispondenti alle dimensioni richieste in uscita per la spot di forma circolare:

I quattro quadrupoli:

Calcoli numerici sul trasportodel fascio orizzontale

G1 (T/m) -10.582G2 (T/m) 6.660G3 (T/m) -7.221G4 (T/m) 8.970

Da 6.5 mm (R campioni biologici) a 0.98 mm(Rx=Ry)

Pretendendo dimensioni minori per la spot circolare…

Maggior controllo del fascio

Flangia di uscita dell’iniettore

Calcoli numerici sul trasportodel fascio verticale

La dispersione non compensata del magnete di deflessione verticale limita la possibilità di focalizzazione nel piano verticale

Minima dimensione in y:R y = 26.6mmR x = 1.5mmIl magnete di deflessione verticale

focalizza nel piano orizzontaleMinima dimensione in x:R y = 34.7mmR x = 1mm

Flangia di uscita dell’iniettore

Test sperimentaliPrima coppia di quadrupoli: Segnale da linea

orizzontaleSegnale da linea verticale

1) Ottimizzazione del trasporto lungo la linea verticale:

Q1 [ supply

unit ]

Q2 [ supply unit ]

I magnete 90° [A]

Linea orizzontale 20 6 0

Linea verticale 30 17 190

Segnale di tensione proporzionale alla corrente letta

con una bandierina.

Q 1 Q 2Magnete 90°

Coincidenza tra i due segnali

Uscita linea verticale

Uscita linea orizzontale

Test sperimentaliLinea orizzontale completa: quattro quadrupoli

G1 (T/m) -10.504G2 (T/m) 7G3 (T/m) -7.703G4 (T/m) 9.103

Q 1 Q 2 Q 3 Q 4

Spot del fascio vista dalla

telecamera

Videocamera

Finestra terminale

Targhetta Fluorescente

2) Minime dimensioni spot circolare linea orizzontale:

Valori dei quadrupoli corrispondenti alle minime dimensioni sperimentalmente

ottenute per la spot circolare:

Q 1 Q 2 Q 3 Q 4

Faraday Cup

Permetterà di variare impulso per impulso la corrente fornita in uscita dall’iniettore e quindi la dose rilasciata nel target

Test sperimentaliLinea orizzontale completa: quattro quadrupoli

3) Caratterizzazione preliminare della lente elettrostatica

Irraggiamenti sui CR-39

… misure dosimetriche preliminari alla radiobiologia (105, 106 protoni ):Stopping and Range of Ions in Matter

Strati attraversati

Spessore (mm)

Densità (g/cm3)

Energia in uscita dal

mezzo (MeV)

LET in H2O (keV/µm)

Range in H2O (µm)

Finestra di uscita in Kapton

0.05 1.43 2.135

Aria 5 0.001 2.057 16.1 80.5

rivelatoreSuperficielatentitracceNumero

LETD 19106,1

Area= 0.00023cm2

Dosimetri a tracce nucleari

Capsula PetriTraccia latenteDiametro=13mm Spessore=1.5mm

Irraggiamenti sui CR-39Prima sessione

di misuraCarica per impulso

(pC)

Numero di impulsi con cui si è irraggiato ogni

rivelatore

Supply unit impostate per i due

quadrupoli

Fascio orizzontale

0,2 20, 50 Quadrupoli spenti

Seconda sessione di

misura

Carica per impulso

(pC)

Numero di impulsi con cui si è irraggiato ogni

rivelatore

Supply unit impostate per i due

quadrupoli

Fascio orizzontale

4,95·10-2 20, 10, 5 Quadrupoli spenti

Fascio verticale 1,65·10 -2 20, 10, 5 Q1 = 39; Q2 = 0

Necessità di ridurre la densità di tracce

20 impulsi10 impulsi5 impulsi

• Sovrapposizioni delle tracce

• Tracce di grosso diametro

20 impulsi10 impulsi5 impulsi

• Rivelatori leggibili (5-10 impulsi)• Proporzionalità (n°impulsi - dose) •Fascio più pulito•Uniformità: U(x)=60% e U(y)=80%

Energia (keV)

LET in H2O (keV/µm)

Numero impulsi

Dose (Gy)

2057 16.1 5 0.036

2057 16.1 10 0.082

Irraggiamenti sui rivelatori di LiF

Centri colore (CC):Difetti del reticolo cristallino

costituiti da vacanze anioniche, singole o aggregate, occupate da

uno o più elettroni.

F2 ed F3+ luminescono nel rosso

(670nm) e nel verde (530 nm)

… studio delle potenzialità dei rivelatori a film di LiF con fasci di protoni alle basse energie: imaging e dosimetria

Lettura con microscopio in fluorescenza: la CCD acquisisce l’immagine degli spot irraggiati nel range verde-rosso

Irraggiamenti sui rivelatori di LiFPrima sessione (Q1 e Q2 e collimatore):

1300

distribuzione trasversa del fascio,

Carica per impulso 6 pC

N° di impulsi film su vetro 300; 670; 1300; 1500

Durata impulso 60μs

, SRIM linearità

Irraggiamenti sui rivelatori di LiFSeconda sessione: (Q1; Q2; Q3; Q4 e collimatore):

Tensione di estrazione (Vextr) 26Tensione sulla lente unipolare (VEint) 25,4Tensione d’arco 170Filamento 29Pressione del gas 7,6Setting dei quattro quadrupoli 45;30;33;40

Carica per impulso 60 pC

N° di impulsi film su vetro 100-128000

N° di impulsi cristallo 150-128000

Durata impulso 60μs

8000750

32000 128000

studio in un ampio range di carica(5÷128000 0.29nC÷7.42μC )

Immagini delle spot: aumento della concentrazione dei centri F2

al crescere del numero di impulsi

Segnale medio fotoluminescenza:

450 - 32000

300 - 4000

Cristallo (1mm)

Film (1 μm)

Optical spectroscopy and imaging of colour centres in lithium fluoride crystals and thin films irradiated by 3 MeV proton beams

M. Piccinini

ENEA, C.R. Frascati, UCSTUDI, Via E. Fermi 45, 00044 Frascati (Rome) Italy

F. Ambrosini, A. Ampollini, M. Carpanese, L. Picardi, C. Ronsivalle,F. Bonfigli, M.A. Vincenti and R.M. Montereali

ENEA, C.R. Frascati, UTAPRAD, Via E. Fermi 45, 00044 Frascati (Rome) Italy

Conclusioni …

• Realizzazione di una linea per fascio verticale per uniformità e controllo del fascio per l’irraggiamento di cellule di tipo V79 (SSSM).

• Possibilità di impiego dei rivelatori a film di LiF per dosimetria con fasci di protoni

• Trasporto del fascio di protoni da 7 MeV all’interno della linea “FODO-like” a PMQ.

- Spessore e substrato dei film di LiF.

- Linearità estraendo le immagini relative ai singoli canali.

… sviluppi futuri

Trace3D e test sperimentali: Impiego della lente unipolare

Irraggiamento CR-39:Sistema lettura per basse cariche

Ottimizzazione dei parametri (macchina e del trasporto del fascio)

Lettura fascio verticale (5-10 impulsi): Q per impulso=1,65·10 -2pC

Irraggiamento LiF:

PMQs:

Studio della linearità (5÷1280000.29nC÷7.42μC )“Imaging” trasversa del fascio

“matching” tra l’uscita dell’iniettore e la linea con i PMQ

Misura delle componenti armoniche dei PMQs

Ad es. per leggere basse cariche: incrementare lo spessore del film e usi un substrato di Si

Grazie per l’attenzione

Fabrizio Ambrosini

3cm

7mm

Layout attuale

PMQ

Struttura in fase di realizzazione

SCDTL

PMQ: necessari per la focalizzazione del fascio

Caratterizzazione magnetica dei PMQMisura del gradiente e delle componenti armoniche

FFT

Spessore (d) 1.4 mm

Lunghezza 40 mm

Lunghezza efficace (Leff) 3 cm

Numero di avvolgimenti (N) 9

“Matching” con linea tipo “FODO lattice” a quadrupoli a magneti permanenti (PMQ)

Ricerca dei valori di gradiente magnetico dei quadrupoli

1°PMQ foc. orizzontale (+)

yBmax=13.472 mm

Ottenere il l’adattamento tra caratteristiche del fascio in uscita

dall’iniettore e la linea FODOPER

Ottimizzazione con TRACE3D:

yAmax=14.8433 mm Orizzontale LongitudinaleVerticale

1°PMQ foc. verticale (-)

Irraggiamenti sui CR-39Sistema di misura del fascio in regime di bassa carica

CVQ

CRms3.3

Il valore della carica accumulata per il numero di

impulsi selezionati

MR 1nFC 2.3

Bandierina

Interruttore

I

Target

Impianto di evaporazione termica per film di fluoruro di litio, GP20 SISTEC-

Angelantoni.

Irraggiamenti sui rivelatori di LiF

L'impianto, a due crogioli, dedicato alla crescita di film policristallini di LiF su diversi substrati (vetro, silicio,

plastica, ecc.) e con spessori controllati (da pochi nanometri ad alcuni micron).

• I substrati, opportunamente fissati sulla piastra porta-campioni, possono essere riscaldati a differenti temperature (tipicamente tra 30°C e 350 °C) mediante quattro lampade alogene infrarosso • La piastra porta-campioni è ruotante per migliorare l'uniformità dei film di LiF. • parametri di deposizione: temperatura del substrato durante la crescita, lo spessore totale e la velocità di deposizione.

Vantaggi: • Altissima risoluzione spaziale (lim. Sistema di lettura).• I CC nel LiF sono stabili a temperatura ambiente.• I CC non possono essere generati dalla luce ambientale.• Possibili diverse configurazioni sperimentali in termini di spessori e substrati.• Semplicità del processo di lettura (microscopio ottico, convenzionale o confocale a fluorescenza).