Uso di un Acceleratore Lineare di
protoni da 7 MeV per esperimenti di
radiobiologia
F.Marracino1, F.Ambrosini1, A.Ampollini1, F.Bonfigli1, M.Carpanese1,
S.Libera1, R.M.Montereali1, L.Picardi1, M.Vadrucci1, C.Ronsivalle1,
M.A.Vincenti1, G.Vitiello1, M.Piccinini1, M.Balduzzi2, G. Esposito3, A.
Tabocchini3.
(1) ENEA CR-Frascati UTAPRAD, Frascati (Rome); (2) ENEA CR-Casaccia BIORAD, (Rome);
(3) Istituto Superiore di Sanità (ISS), (Rome)
[email protected]
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Progetto TOP IMPLART
TOP-IMPLART: Oncological Therapy with Protons – Intensity Modulated Proton Linear
Accelerator for RadioTherapy
Realizzare un acceleratore lineare modulare per protonterapia di energia finale 150 MeV per
tumori superficiali (≤ 15 cm) e 230 MeV per lesioni profonde (≥30 cm)
-Primo segmento dell'acceleratore: iniettore composto da sorgente di protoni
duoplasmatron A, due acceleratori lineari, un quadrupolo a radiofrequenza B (RFQ) da 3 MeV
ed un linac a tubi di drift C (DTL) che innalza l'energia del fascio fino a 7 MeV, operanti ad una
frequenza di 425MHz; D tre racks contenenti l’elettronica di controllo e l’alimentazione RF.
Tra l'iniettore e la sezione accelerante successiva (struttura SCDTL) è montata una linea di
trasporto LEBT (Low Energy Beam Transfer): quattro quadrupoli magnetici Q1,Q2,Q3,Q4
per la focalizzazione del fascio da 7 MeV e il suo adattamento sul piano trasversale all'SCDTL.
Tra la prima e la seconda coppia di quadrupoli è stato inserito un magnete di deflessione
verticale, per usare sia un fascio orizzontale (magnete off) sia con fascio verticale (magnete
on) a energia variabile fino a 7 MeV
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Irraggiamento campioni biologici a bassa energia
SCOPO: irraggiamento colture cellulari V79 con protoni a bassa energia
(3MeV–7MeV)
- Curva di sopravvivenza delle V79 irradiate con protoni
- Valutare l’efficacia terapeutica dei trattamenti
Uscita fascio dal
magnete
Condizioni operative necessarie:
Dose (0,1Gy – 6Gy)
Uniformità di irraggiamento (>90%)
Fascio monocromatico (FHWM/Em<0,1)
Porta campione: cilindro acciaio F= 13 mm
Q
Q
1
2
Magnete 90°
3
3
Misure dosimetriche: tipi di rivelatori
Basse dosi (frazioni Gy): rivelatori di tracce nucleari a stato solido CR39 per la
misura dell’uniformità della fluenza (quindi, nota la perdita di energia per unità di
percorso LET∞, la dose) direttamente all’uscita del magnete.
Alte dosi (unità di Gy): gafchromic film
 HD-V2
strato sensibile è di 8µm senza substrato
E< 4MeV
risposta affidabile D> 5Gy
 EBT3
strato sensibile di 30µm su un substrato di 125µm di poliestere
E> 4MeV (profondità di penetrazione del fascio superiore a 160µm)
risposta affidabile D 0.1÷10 Gy
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Misure dosimetriche: CR39
Una particella carica che attraversa un CR39 danneggia in modo permanente la sua struttura
molecolare creando una traccia latente con dimensione lineare di qualche Å
Trattamento chimico con basi forti (etching) per allargarla ed osservarla
con il microscopio ottico per contare il numero di tracce (punti neri) in un’area nota
(misura della fluenza)
F=
Numero tracce
Superficie rivelatore
D = 1,6 1019  LET  F
Densità di tracce
troppo alta,
no fluenza
CR39 limitati a frazioni di Gy, hanno evidenziato la necessità di migliorare l’uniformità
della fluenza
realizzare un opportuno set up di irraggiamento
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SET-UP irraggiamento
Terreno di coltura
Cellule piastrate su
Mylar da 52µm di spessore
6 µm
1 cm aria
collimatore da 13mm
Finestra uscita Kapton di 20µm
scattering foil oro 2µm
collimatore da 1mm
Tubo acciaio da vuoto (50cm)
Fascio verticale
(dall’uscita del magnete)
6
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Calcoli di ottimizzazione del SET-UP
Scattering foil di oro di spessore 2µm in modo da allargare uniformemente (almeno fino al
90%) il fascio in direzione trasversa. Lo spessore di 2µm è stato stabilito mediante diverse
simulazioni con il codice di calcolo SRIM (Stopping and Range of Ions in Matter).
Esempio simulazione: scattering foil
di oro di spessore 2µm allarga il fascio
con
l'uniformità
uscita
voluta.
dall'iniettore
diminuzione
di
energia
Energia
di
a
di
5.5MeV,
4.51MeV
indotta dai diversi elementi, un energy
Distribuzione
particelle
Distribuzione
energia
spread indotto rms di 0.0356MeV (che
Distribuzione
si somma quadraticamente allo spread
transversa
iniziale) per una dimensione trasversa
rms di 1.24cm che assicura l'uniformità
voluta sul campione (diametro 13 mm).
Elementi Set up
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7
Misure dosimetriche preliminari:
irraggiamenti gafchromic
Kapton di 20µm: sul kapton si appoggia il film (2cmx2cm)
collimatore da 13mm
scattering foil oro 2µm
collimatore da 1mm
tubo da vuoto (50cm)
gaf HD-V2
Magnete 90°
F spot=13mm
E= 2 MeV (dopo Kapton
e foil)
LET= 16.42 KeV/µm
Q= 2pC per impulso
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Misure irraggiamento gafchromic
I film gafchromic permettono di effettuare una misura di densità ottica e non di dose.
Per poter determinare la dose incidente sul film, si deve realizzare una curva di calibrazione
(Optical Density vs Dose): per EBT3 nella banda di energia di 4.0-7.0MeV, per HD-V2 nella
banda di energia 3-4.0MeV.
Tali curve si ottengono irradiando con fascio di protoni calibrato un certo numero di film a dosi
note e misurando le densità ottiche mediante letture con uno scanner in trasmissione ed
analisi con il software PICODOSE.
Epson A3
Esempio curva di
calibrazione
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OD=log(I0/I)vs
dose
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Misure dosimetriche: irraggiamento di rivelatori
basati su Fluoruro di Litio (LiF)
LiF studio delle potenzialità dei rivelatori con fasci di protoni di bassa energia: imaging e
dosimetria. Cristalli e film sottili policristallini di LiF cresciuti su diversi substrati sono
utilizzati come rivelatori di radiazioni ionizzanti (RI) di varia natura (elettroni, neutroni, raggi
X, gamma). L'efficienza di formazione dei difetti elettronici (centri di colore) indotti da RI è
maggiore nei film rispetto ai cristalli di LiF, per cui i film policristallini sono caratterizzati da
una maggiore efficienza di rivelazione.
Centri colore (CC)
Difetti del reticolo cristallino
costituiti da vacanze anioniche,
singole o aggregate, occupate da
uno o più elettroni.
F2 ed F3+ se illuminati con luce blu (450
nm) luminescono rispettivamente nel
rosso (670nm) e nel verde (530 nm)
Lettura con microscopio a fluorescenza: la CCD
acquisisce l’immagine degli spot irraggiati nel range
verde-rosso
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Intensità di fotoluminescenza vs Dose in cristalli e
film sottili di LiF dopo irraggiamento
Le immagini ottenute del fascio di protoni da 3 MeV hanno mostrato che il rivelatore di LiF
possiede un'alta risoluzione spaziale (<1µm) ed è in grado di rivelare anche piccole differenze
d'intensità del fascio. Studio del comportamento del LiF come dosimetro a lettura ottica: tra la
dose e l'intensità di fotoluminescenza totale registrata dalla fotocamera CCD del microscopio
si è ottenuta una relazione che per il cristallo di LiF è risultata lineare per dosi comprese tra
70 e 106Gy, mentre per il film (di spessore 1 µm) su vetro tra 5x103 e 5x106Gy.
Profilo trasversale
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Conclusioni e Sviluppi futuri
 Ottimizzazione set-up della linea verticale per irraggiamento uniforme dei campioni tramite
simulazioni con SRIM
 Individuazione dei parametri operativi di macchina per ottimizzazione nell’estrazione del
fascio verticale
I.
Calibrazione del sistema per utilizzare GAF come dosimetri
II.
Irraggiamenti su fibroblasti polmonari di Hamster cinese (V79) non adese ma libere nel
terreno di coltura (no effetto gravità)
III. Studi su effetti indiretti delle RI sulle cellule: effetto bystander, risposte biologiche
osservate in cellule non irradiate quando cellule vicine sono colpite dalle radiazioni.
Si ritiene che alla base di questo effetto vi sia la comunicazione spaziale tra cellule irradiate e
non, attraverso il terreno di coltura. Con un fascio orizzonte le cellule si accumulerebbero sul
fondo (in tal caso è necessario utilizzare porta campioni adatti a tale scopo e non
commerciali)
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