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
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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
dE
D=
(Gy)
dm
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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
N 12 C = 8.8´10
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COMPONENTE CARICA
(trattamento dose 2 Gy)
COMPONENTE NEUTRA
Interazione con il tessuto bersaglio
Fotoni prompt da
diseccitazione nucleare
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Dosimetria
MISURA ENERGIA RILASCIATA
DALLA RADIAZIONE NELLA
MATERIA
FOTONI
g ® e- + e+
PARTICELLE CARICHE
Interazioni coulombiane con gli
atomi del materiale attraversato
Controllo della dose dai
parametri del fascio terapeutico
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g ® g ' + e-
Sistema di monitoraggio in tempo
reale del deposito di dose
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Il dosimetro
g ® g ' + e- DIFFUSIONE COMPTON
CRISTALLO DI LYSO
FOTONI
X,Y
20 x 20 x 2 cm3 Lettura con 16
fotomoltiplicatori multianodo
Hamamatsu H8500
Z
TRACCIATORE
SCINTILLATORE PLASTICO
ELETTRONI
ELETTRONI
6 piani fibre 500 μm (X,Y) a intervalli
di 2 cm Area 19.2 x 19.2 cm2 Lettura a
gruppi di due con SiPM 1 mm2
20 x 20 x 1.5 cm3 e distanza 2 cm
dall’ultimo piano di fibre. Lettura con
fibre wavelength shifter e due SiPM
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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
g
Spettro di energia (MeV) dei fotoni prompt
g'
e-
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 P0301 (2012)
Fotoni diffusi al LYSO
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OTTIMIZZAZIONE DEL DISEGNO DEL
DOSIMETRO
6 PIANI DI SCINTILLATORE PLASTICO 10 x 10 cm2 (X,Y) a intervalli di 0.95 cm
Spessori 0.5 mm, 1 mm e 2 mm
SCINTILLATORE PLASTICO 10 x 10 x 1.5 cm3
Risoluzione delle fibre
CRISTALLO DI LYSO 10 x 10 x 3 cm3
distribuzione simulata di σ=300 μm
 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
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RISOLUZIONE SULLA DIREZIONE DELL’ELETTRONE COMPTON
Deviazione angolare scattering multiplo
1° piano attraversato:
RMS Û 8gradi
Risoluzione sul coefficiente angolare
RMS Û 0.28 ®12gradi
fit di Kalman
EFFICIENZA DI TRACCIAMENTO
e=
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N RECO
» 94%
NVERE
Frazione di eventi in cui la traccia ricostruita è
compatibile con quella dell’elettrone Compton
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 TRACCIAMENTO FOTONE COMPTON
 Si considera la congiungente il punto di intersezione
della traccia dell’elettrone Compton con il piano del LYSO
a z=zLYSO
 Si misura la distanza tra il punto di intersezione e le
coordinate del rilascio energetico nel LYSO
Generazione FOTONI OTTICI dal fotocatodo
 Distibuzione spaziale dei rilasci energetici
tramite registrazione con fotomoltiplicatori
multianodo
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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
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σcorr = (0.062 ± 0.001) cm
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RISOLUZIONE SULLA DIREZIONE DEL FOTONE COMPTON
Dipendenza σx dalla profondità di
interazione dei fotoni Compton nel LYSO
Risoluzione spaziale coordinata Z (cm)
z=
sx
A
+B
A, B costanti del fit Gaussiano
bidimensionale
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σcorr = (0.124 ± 0.002) cm
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OTTIMIZZAZIONE PER LA RICOSTRUZIONE DEI FOTONI COMPTON
Distribuzione dei depositi energetici
fotoni e elettroni (MeV) 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
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e » 80%
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Ricostruzione fotone primario
Direzione fotone Compton al LYSO dal fit
Gaussiano bidimensionale
Direzione elettrone Compton nel
tracciatore dal fit di Kalman
c1 =
pg '
pg
c2 =
pepg
p̂g = c p̂ + c p̂
MC
1
g'
MC
2
e-
c1MC = 0.538 ± 0.005
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OTTIMIZZAZIONE DELLO SPESSORE DEI PIANI DI FIBRE
RISOLUZIONE SPAZIALE DEL FOTONE PRIMARIO
Proiezione di pg ' sul piano ortogonale all’asse z dove è posta la sorgente
xproj = xRECO - xVERA  fit Gaussiano σ=risoluzione
Sorgente puntiforme a cono
Eventi selezionati: selezione eventi Compton
s
risoluzione complessiva
N fotoni Compton ricostruiti
Risoluzione spaziale migliore per i piani di
scintillatore plastico con spessore 1 mm e 2 mm
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RISOLUZIONE SPAZIALE DEL FOTONE PRIMARIO
Piano di scintillatore plastico con spessore 2 mm
Distribuzione xproj = xRECO - xVERA
RISOLUZIONE SUL SINGOLO
FOTONE PRIMARIO
σ = (80.99 ± 1.15) mm
RISOLUZIONE COMPLESSIVA DEI
FOTONI COMPTON RICOSTRUITI
s
N
= (1.00 ± 0.014) mm
xRECO – xvera (mm)
Statistica riscalata a un trattamento tipico di adroterapia
Risoluzione spaziale σ = (2.21 ± 0.031) mm
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CONCLUSIONI
 OBIETTIVI RAGGIUNTI
 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
 PROSSIMI STUDI DI OTTIMIZZAZIONE DEL DOSIMETRO
 Implementare aspetti realistici del rivelatore (es. efficienza
delle fibre)
 Studio coppie dall’interazione del fotone primario nel rivelatore
 Studio componente carica del flusso secondario
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