Brachiterapia HDR: procedure di calibrazione e
simulazioni Monte Carlo con Geant4
Candidato: Matteo Tropeano
Relatori interni:
Prof. P. Corvisiero
Dr. M. G. Pia
Relatore esterno:
Dr. F. Foppiano
Correlatore:
Prof. S. Squarcia
Obiettivi del progetto di tesi
Attivazione dei processi di Controllo di Qualità nell’ambito della dosimetria
di base e dosimetria clinica all’Istituto Nazionale per la Ricerca sul Cancro (IST)
Dosimetria di base
Complesso di procedure e metodologie atte a valutare le grandezze dosimetriche
che caratterizzano le apparecchiature
Dosimetria clinica
Complesso di procedure e metodologie atte a calcolare la dose di radiazione
assorbita nei tessuti irradiati
Il lavoro nasce da una collaborazione
Radioterapia
Scopo di un trattamento radiante è la sterilizzazione delle
cellule neoplastiche presenti nell’area irradiata.
Dose assorbita
D= dE / dm
[D] = Gray = J / kg
L’attuazione delle procedure di Controllo di Qualità è essenziale per garantire la
dose ottimale ai volumi interessati salvaguardando gli organi sani e sensibili
Metodi della radioterapia:
• Fasci esterni
• Brachiterapia
Brachiterapia
La dose di radiazione viene rilasciata mediante l’uso di sorgenti
radioattive sigillate poste, con speciali applicatori, in vicinanza della zona da trattare
• Sorgenti con diverse forme (aghi, fili, semi)
• Ampi range di attività
• Dispositivi a telecaricamento
Molteplici tecniche
e
diverse scelte nei
rapporti
dose / tempo di trattamento
Possibilità di sorgenti ad alta intensità
Protezione per fisici e radioterapisti
L’unità brachiterapica all’IST
Brachiterapia HDR
alta intensità di dose ( > 12 Gy / ora)
microSelectron-HDR Classic
Sorgente Ir-192
• Decadimento caratterizzato da radiazione fotonica
• <E> = 356 keV su tutte le righe
• <E> = 397 keV eliminando le righe assorbite
dalla capsula
• Tempo di dimezzamento 73.83 giorni
Calibrazione della sorgente
Reference Air Kerma Rate (RAKR): Intensità di kerma in aria alla
distanza di riferimento di 1 metro
Kerma
K= dE / dm
In questo contesto specifico si è inserita una parte del lavoro sperimentale
Protocollo dell’AIFB (Associazione Italiana di Fisica Biomedica)
• Dosimetro di uso corrente (controlli di routine sull’unità) tarato in RAKR
• Dosimetro di riferimento (cambio della sorgente, ogni 3-4 mesi)
Dosimetro di uso corrente
Elettrometro - alimentatore - camera a pozzetto
• =I×N ×K
K
r
K
T, P
Dosimetro di riferimento
Elettrometro - Alimentatore - Camera cilindrica Farmer
• Misure eseguite a distanze inferiori ad 1 metro
• Necessario garantire il posizionamento
• Segnale corretto M(d)= L(d) × KT,P × Ksat
• Segnale dovuto ai fotoni primari
MP (d) × d2 = cost
• MP (d) × d2 = (M (d) - MS) × Pgeom × Paria) d 2
• Calcolo di MP (d r) × d r 2
•
Kr =[ (MP (d r) × d r 2 ) NK / t
•
K r = 3.5 ± 0.1 cGy m2 / h
(Farmer)
•
K r = 3.6 ± 0.1 cGy m2 / h
(Camera a pozzetto)
Questa parte di lavoro ha contribuito alla realizzazione all’IST del
Manuale di Qualità dell’Unità Brachiterapica
Ottimizzazione dei Controlli di Qualità in Dosimetria Clinica
Simulazioni MC
Ruolo delle simulazioni MC in campo fisico-medico
• Medicina nucleare
• Diagnostica raggi-x
• Protezione dalle radiazioni
• Radioterapia: calcoli dosimetrici, applicazioni a sistemi commerciali per la
pianificazione dei trattamenti
trasparenza della fisica
utilizzo di librerie
di dati valutate
validazione dei risultati
da fonti e contesti diversi
Requisiti che un software
deve soddisfare
utilizzo di standard riconosciuti
controlli di qualità basati
su tecnologie avanzate
Il software scelto, perché supporta tutti i requisiti, è
Sviluppo di applicazioni con avanzate tecniche di Ingegneria del Software
Tecniche avanzate di software utilizzate nella tesi
Processo di sviluppo del software
Modello iterativo-incrementale
Miglioramento del processo
di sviluppo del software
ISO 15504
Metodologia
Orientata agli Oggetti
Analisi e Design UML
Programmazione C++
Collaborazione internazionale
di oltre 100 scienziati
Simulazione del passaggio di particelle
nella materia ( HEP, medica, astrofisica, ecc.)
Uso di strumenti avanzati
di Ingegneria del Software
e metodologia OO
Funzionalità in ogni dominio
• Flessibile
• Aperto alle evoluzioni
• Trasparente
Il test del coefficiente di attenuazione dei fotoni
Scelta della fisica
Due modelli per i processi EM
Estensioni a basse energie
Moduli standard
Design e sviluppo di un’applicazione completa
• Identificare tra i modelli forniti da Geant4 quello più appropriato
nel contesto dell’applicazione brachiterapica che intendiamo sviluppare
(range 10 keV - 1 MeV coperto da entrambi i moduli)
• Valutare l’accuratezza dei processi nei moduli a basse energie; in particolare
i modelli di sezioni d’urto per i processi di fotoni nel range descritto
N0 fotoni generati
Nd fotoni rivelati
 / = [ln (Nd / N0)] / 
NIST
Low Energy
Standard
errori
< 1%
1
Simulazioni in acqua, ferro, piombo
Risultati confrontati con dati NIST
(National Institute for Standard
e Technology)
0,1
0,01
0,1
1
Conclusioni
Energia dei fotoni (MeV)
In base alle valutazioni di accuratezza
Delta = (NIST-G4EMStand) / NIST
Delta = (NIST-G4LowEn) / NIST
16
14
12
10
Delta (%)
 /  (cm 2 / g) in acqua
10
• I moduli a basse energie sono
più appropriati nel contesto delle
applicazioni che intendiamo sviluppare
8
• Abbiamo fornito uno strumento da
utilizzare nei regolari processi di testing
su Geant4
6
4
2
0
-2
0,01
0,1
1
Energia dei fotoni (MeV)
10
La simulazione della sorgente brachiterapica
Obiettivi
• Determinare la distribuzione di dose attorno alla
sorgente brachiterapica
• Validazione mediante confronti con dati sperimentali
• Valutazioni dell’accuratezza del software commerciale
Configurazione sperimentale
Sorgente immersa in una scatola d’acqua (fantoccio)
Requisiti della simulazione
• Modellizzazione delle geometrie e dei materiali
• Generazione delle particelle primarie
• Processi elettromagnetici per fotoni ed elettroni
• Tracciamento di secondari
• Valutazione dell’energia depositata
L’applicazione software
Diagramma delle classi in notazione UML
Geometria virtuale di lettura
2 107 eventi primari,
soglia sulla produzione dei secondari 0.1 mm, celle 1 mm3
Errore statistico: < 4% entro 25 mm, 8% a 40 mm
Risultati
40
Cut 0.1mm
30
200%
150%
100%
75%
50%
25%
Distanza lungo Z (mm)
20
10
0
-10
-20
-30
-40
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
Distanza lungo X (mm)
Anisotropia dovuta a filtrazione obliqua nell’iridio, capsula, cavo acciaio
Confronti
Asse trasversale
2,5
Misure
Plato
GEANT4
2,0
Dose %
1,5
1,0
0,5
0,0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Distanza (mm)
Buon accordo tra risultati, dati sperimentali (nelle stesse condizioni)
e dati forniti dal software commerciale
Asse longitudinale
Plato
GEANT4
2,5
Dose %
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
Distanza (mm)
Minore accordo tra i risultati ed i dati forniti dal software commerciale.
L’applicazione di simulazione MC realizzata permette
valutazioni dosimetriche accurate facilmente adattabili a situazioni concrete
Simulazioni per l’applicatore Leipzig
Estensione del programma di simulazione per analizzare una situazione clinica concreta
non supportata dal software commerciale
Applicatore Leipzig
Trattamenti superficiali
La necessità di effettuare simulazioni nasce da esigenze cliniche
• Non esistono dati dosimetrici in letteratura
• I costruttori forniscono le dosi % in condizioni omogenee
• Sono necessarie, per le valutazioni cliniche,
le caratterizzazioni nelle diverse situazioni terapeutiche
(vicinanza a cavità d’aria, presenza di ossa, ecc.)
L’applicazione software
Estensioni al programma:
• Definizione delle geometrie dell’applicatore
• Spostamento della scatola d’acqua
Distanza trasversale (mm)
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
Risultati
0
-5
-10
Profondità (mm)
-15
-20
-25
-30
-35
-40
-45
-50
-55
-60
80%
60%
40%
20%
10%
Rappresentazione delle isodosi
normalizzate alla superfice
Sono stati generati 108 eventi primari
Soglia sulla produzione secondari 0.1 mm
Celle 1mm3
Confronti
1,0
Misure
Nucletron
GEANT4
0,8
Le misure sono state
effettuate all’IST nella
stessa configurazione
Dose %
0,6
0,4
0,2
0,0
0
10
20
30
Distanza lungo Z (mm)
40
50
Buon accordo tra
risultati, dati sperimentali e
dati forniti dal costruttore
I risultati del confronto confermano l’adeguatezza dell’applicazione realizzata.
Con questo strumento sarà possibile caratterizzare tutti gli applicatori Leipzig
nelle diverse configurazioni ed in diverse condizioni di omogeneità
Conclusioni
• Nell’ambito della dosimetria di base sono state messe a punto le procedure per la
corretta calibrazione della sorgente necessarie alla stesura del Manuale di Qualità
dell’Unità Brachiterapica.
• Nell’ambito della dosimetria clinica è stata realizzato un programma di simulazioni
MC che consente valutazioni fisico-dosimetriche in configurazioni cliniche concrete.
Nel caso dei Leipzig sono indispensabili per l’ottimizzazione dei trattamenti.
In particolare sono state determinate distribuzioni di dose e prodotte validazioni
mediante confronti con dati sperimentali.
Il lavoro ha fornito diversi contributi alla Collaborazione Geant4
• E’ stata realizzata una applicazione completa che ha testato nuovi modelli EM.
• Il test sul coefficiente di attenuazione sarà inserito nel processo di testing regolare
• Il programma di simulazione è stato inserito nella distribuzione pubblica del codice
tra gli Esempi Avanzati. Lo scopo è quello di fornire, nell’ambito del supporto agli
utenti, un esempio cocreto di applicazione fisico-medica.