MITRA
MIcrodosimetria e struttura di TRAccia
Un approccio completo alla microdosimtria per migliorare la
terapia con adroni
Gemellato con l’esperimento europeo BioQuaRT
Responsabile Nazionale:
Paolo Colautti, Laboratori Nazionali di Legnaro, INFN.
Unità di ricerca coinvolte
• INFN – LNL
• Sezione INFN di Milano
• Sezione INFN di Padova
• Sezione INFN Roma II
Obiettivi scientifici
1. Sviluppare metodi e strumenti innovativi per caratterizzare
sperimentalmente i campi di radiazione generati da fasci
di adroterapici → studiare i processi locali d’interazione.
Obiettivi scientifici
1. Sviluppare metodi e strumenti innovativi per caratterizzare
sperimentalmente i campi di radiazione generati da fasci
di adroterapici → studiare i processi locali d’interazione.
• Integrando tra loro la microdosimetria, che misura le fluttuazioni del
deposito energetico locale al livello del micrometro con buona
accuratezza, e la nanodosimetria, che misura il pattern dei punti
d’interazione (struttura di traccia) a livello del nanometro.
• Sviluppando microdosimetri innovativi, capaci di misurare anche a
livello del nanometro.
Obiettivi scientifici
2. Individuare le soluzioni strumentali e metodologiche più
utili nella pratica clinica.
• Sviluppando nuovi rivelatori che siano più robusti, più economici e di
facile uso. La risposta di tali rivelatori verrà studiata e confrontata con
quella dei mini TEPC.
La fisica dell’interazione a livello microscopico
1 mm
Struttura di traccia = pattern dei punti d’interazione
IL danno biologico primario avviene a livello microscopico, quindi dipende
fortemente dalla struttura di traccia.
La fisica dell’interazione a livello del nm
20 nm
Startrack fa una «fotografia» della struttura di traccia con un pixel di 20 nm
Caratteristiche della “penombra” dovuta ai raggi d
0
10
12
-1
10
C, 96 MeV
2
dd ==1.6
1.6 mmg/cm
g/cm
2
2
dd==1.9
m
g/cm
1.9 mg/cm
2
2
dd ==2.2
2.2 mmg/cm
g/cm
2
2
dd ==2.5
2.5 mmg/cm
g/cm
2
P(Q)
P(Q)x(d)2
-2
10
2
dd ==3.0
3.0 mmg/cm
g/cm
2
2
dd ==3.6
m
g/cm
3.6 mg/cm
2
-3
10
-4
10
Quando le -5distribuzioni dei cluster di ionizzazione prese a
10
diversa distanza dalla traccia primaria vengono scalate per
l’angolo solido,
esse si sovrappongono quasi perfettamente.
-6
10
La “qualità”
della penombra
é 10
quasi indipendente
dalla
0
5
15
20
distanza dalla traccia primaria.
Cluster size 
V. Conte et al. New J. Phys. 14, 0930010, 2012
Caratteristiche della “penombra” dovuta ai raggi d
0
0
1010
2.2mg/mg/
d d = =
2 .2
cmcm
2
-1
-1
1010
2
protons,
20 20
MeV
protons,
MeV
6 6
Li-ions,
48 48
MeV
Li-ions,
MeV
7 7
Li-ions,
26.7
MeV
Li-ions,
26.7
MeV
-2 -2
(D/lion)
P(Q)P/(Q)
1010
-3
12 12
MeV
C, C,
96 96
MeV
-3
1010
-4
1010
-4
-5
Quando
1010 si dividono le distribuzioni dei cluster di
ionizzazione per il numero medio delle ionizzazioni
-6
10
10
primarie,
le distribuzioni si sovrappongono quasi
perfettamente.
-7
10
10
La “qualità”
della penombra
é quasi indipendente
dalla
0 0
55
1010
1515
2020
“qualità” del core (densità
lineare
delle ionizzazioni
Cluster
size
Cluster
size
 
primarie)
V. Conte et al. New J. Phys. 14, 0930010, 2012
-5
-6
-7
La fisica dell’interazione a livello del µm
1 µm
Caratteristiche microdosimetriche a diverse profondità in un bersaglio
Una quantità utilizzata per esprimere la qualità della
radiazione di fasci terapeutici è l’ RBEm microdosimetrico
early effects in mice
d = 2 mm
D = 8 Gy
L.De Nardo et al. Physica Medica XX, 71, 2004
r(y) si ottiene mediante unfolding dei dati
radiobiologici
e
degli
spettri
microdosimetrici ottenuti nelle medesime
condizioni. Dipende dalle dimensioni
simulate d, dalla dose D e dall’effetto
biologico considerato.
P. Pihet et al., Radiat. Prot. Dosim. 31 (1990) 437
𝑅𝐵𝐸 =
∞
𝑟
0
𝑦 𝑑 𝑦 dy
UNITA’ LNL - SP1
Studi di Struttura di Traccia: Misure e Simulazioni MC
Coordinamento: V.Conte (50%) LNL,
Partecipanti: P.Colautti (40%) LNL, M.Poggi (50%) LNL, S. Canella (30%) LNL, L.De Nardo (20%) PD
0
10
1
2
-1
10
6
7
H, 20 MeV, ( l )
H, 16 MeV, ( l )
= 2 mg/cm
2
= 1 mg/cm
2
ion
ion
Li, 48 MeV, ( l )
Li, 26.7 MeV, ( l )
-2
= 0.1 mg/cm
= 0.05 mg/cm
ion
P(Q)
10
-3
10
-4
10
-5
10
0
5
10
15
20
Cluster size 
25
2
ion
30
L’apparato Startrack consente di fare una «fotografia» della struttura di traccia di una
particella carica, con un pixel di 20 nm. Un codice MC è stato appositamente
sviluppato, per includere le condizioni sperimentali e la funzione di risposta del
rivelatore (Bernd Grosswendt). Durante l’esperimento Startrack2 sono state studiate le
strutture di traccia di protoni a 8 e 20 MeV, ioni Li e ioni C. Risultati sperimentali e
simulazioni MC sono in ottimo accordo.
2
UNITA’ LNL - SP1
Studi di Struttura di Traccia: Misure e Simulazioni MC
Coordinamento: V.Conte (50%) LNL,
Partecipanti: P.Colautti (40%) LNL, M.Poggi (50%) LNL, S. Canella (30%) LNL, L.De Nardo (20%) PD
0
10
1
2
-1
10
6
7
H, 20 MeV, ( l )
H, 16 MeV, ( l )
= 2 mg/cm
2
= 1 mg/cm
2
ion
ion
Li, 48 MeV, ( l )
Li, 26.7 MeV, ( l )
-2
= 0.1 mg/cm
= 0.05 mg/cm
ion
P(Q)
10
-3
10
-4
10
-5
10
0
5
10
15
20
Cluster size 
25
2
ion
30
Obiettivi:
1) Utilizzare il rivelatore al silicio (SP4) come trigger, per misure simultanee di
microdosimetria e di nanodosimetria.
2) concludere lo studio con ioni monoenergetici B e N,
3) studiare la struttura di traccia per fasci di protoni, C e N aventi una distribuzione
spettrale simile a quella che si ha in radioterapia, nella distal edge del picco di Bragg,
4) individuare grandezze riconducibili alla struttura di traccia (ad esempio F2/M1) , che
siano misurabili con un rivelatore di uso «pratico» in clinica, per esempio un TEPC al
nanometro (SP2).
2
UNITA’ LNL – SP3
Microdosimetria di fasci adroterapici con mini TEPC
Coordinamento: P.Colautti (50%) LNL,
Partecipanti: V.Conte (20%) LNL, L.De Nardo (20%) PD, S.Chiriotti (50%) LNL
Ioni 12C per adroterapia sono particelle ad
alto LET (ymax = 1500 keV/µm).
Obiettivi:
Mini TEPC usato con successo con protoni e neutroni. In un campo
BNCT esso sottostima i valori di energia lineale degli ioni Li,
(ymax = 660keV/µm). Riteniamo che ciò sia dovuto alla polarizzazione
degli isolanti con conseguente deformazione del volume sensibile.
Questo mini TEPC sottostima la componente ad alto LET.
•
Costruzione di un nuovo mini TEPC con
isolanti conici.
•
Misure di calibrazione presso i
Laboratori di Monte Cuccolino (ENEA).
•
Misure ai LNS e al CNAO, con gli stessi
fasci usati in SP4, SP5 e SP6.
SP2 – SP4 Obiettivi Scientifici dell’Unità INFN-MI
SP2: Microdosimetria al nanometro - responsabile Andrea Pola (RU, 50%),
Sviluppo di una metodologia innovativa per la caratterizzazione fisica di fasci adroterapici, in particolare
di ioni carbonio, su dimensioni che vanno da qualche micrometro alla decina di nanometri
lo studio e la realizzazione di un nuovo TEPC a contenimento di valanga in grado di misurare
spettri microdosimetrici in volumi simulati di diametro minimo di circa 25nm (SP1)
0.5
137
Cs
0.3
50 nm

 f() [a.u.]
0.4
0.2
1 µm
35 nm
0.1
0.01
0.1
1
10
 [nm ]
-1
SP4: Microdosimetria con rivelatori al silicio – responsabile S. Agosteo (PO, 50%),
Sviluppo di un sistema per la caratterizzazione microdosimetrica sistematica di fasci adroterapici di
protoni e ioni carbonio con un microdosimetro allo stato solido e per il confronto diretto con miniTEPC
1.0
silicon telescope 21.8 mm
cylindrical TEPC 22 mm
(threshold)
cylindrical TEPC 22 mm
(no threshold)
0.8
y d(y)
costruzione di un sistema di basato su telescopio monolitico al silicio
(dimostrato in grado di misurare spettri microdosimetrici di fasci
nell’ambito dell’esperimento Micro-Si) e campagna di caratterizzazione
e confronto con miniTEPC di riferimento su fasci adroterapici
0.6
0.4
0.2
0.0
1
10
100
-1
y (keV mm )
1000
Unità PoliMi – INFN MI
Responsabile Locale:
Andrea Pola (RU, 50%), Dipartimento di Energia, Politecnico di Milano, e INFN, Sezione di Milano;
Partecipanti
•Stefano Giulini Castiglioni Agosteo (PO, 50%), Dipartimento di Energia, Politecnico di Milano e
INFN, Sezione di Milano;
•Alberto Fazzi (PA, 30%) Dipartimento di Energia, Politecnico di Milano e INFN, Sezione di Milano;
•Maria Vittoria Introini, (assegnista, 50%), Dipartimento di Energia, Politecnico di Milano, e INFN,
Sezione di Milano;
•Michele Lorenzoli (dottorando, 60%) Dipartimento di Energia, Politecnico di Milano e INFN,
Sezione di Milano;
•Giovanni D'Angelo (collaboratore tecnico 50%), Dipartimento di Energia, Politecnico di Milano e
INFN, Sezione di Milano;
Preventivo globale di spesa per il triennio 2013-2015 (k€)
2013
2014
2015
Materiale
inventariabile
24.0
5
-
Consumo
13.0
5
5
Trasferte interne
4.0
10
15
Totali
22.0
20.0
20.0
INFN Sezione Roma 2
Università di Roma “Tor Vergata”
Dip. di Ingegneria Industriale
SP5: Microdosimetria basata su diodi Schottky
in diamate sintetico monocristallino
Coordinamento: Gianluca Verona Rinati (30%) ROMA2,
Partecipanti: E.Milani (20%) Roma2, M.Marinelli (20%) Roma2, G.Prestopino (40%) Roma2
Obiettivo: Sviluppare un microdosimetro al diamante in grado di misurare spettri
MICROWAVE POWER
SUBSTRATE TEMPERATURE
OPTICAL
PYROMETER
microdosimetrici in siti di diametro equivalente a 1-2 mm. Misure di microdosimetria
presso i LNS con gli stessi fasci usati in SP3, SP4 e SP6.
FLOW
CONTROLLERS
QUARTZ WINDOW
GAS IN
QUARTZ TUBE
PLUNGER
Al contact
MICROWAVE
GENERATOR
2.45 GHZ
TO PUMP
SAMPLE
Output
Parametri di crescita tipici
Ag contact
PRESSURE CONTROL
• Crescita omoepitassiale su diamanti HPHT (sintetici di
basso costo – bassa qualità)
• Il ruolo del substrato è quello di fonire la matrice per la
crescita omoepitassiale di diamante monocristallino
• Il substrato HPHT è elettricamente bypassato e non
contribuisce nel processo di rivelazione
• La regione sensibile è confinata nella regione sottostante il
contatto Schottky (regione di svuotamento)
CVD slightly B doped
CVD B+ doped
HPHT substrate
Composizione del plasma 99% H2- 1% CH4, (+B2H6 doping)
Temperatura
650 – 800 °C
Potenza delle microonde
600 - 1300 W
Pressure
100 - 150 mbar
Flisso di gas
100 sccm
UNITA’ DI PADOVA - SP6
Microdosimetria con GEM-TEPC
Partecipanti: Laura De Nardo (coordinamento) (40%) PD,Flavio Dal Corso (30%) PD
Obiettivo: Sviluppare e studiare le caratteristiche di funzionamento di un TEPC basato
su GEM. Misure di microdosimetria presso i LNS con gli stessi fasci usati in SP3, SP4 e
SP5.
campo elettrico
GEM TEPC
Courtesy of dr. A.J.J. Bos, Delft University of Technology
L’applicazione dei GEM semplifica la costruzione di:
1. Un rivelatore miniaturizzato per misure su fasci intensi
2. Configurazioni a molti-elementi per una simultanea mappatura microdosimetrica 2D
3. TEPCs al nanometro
Moltiplicazione di singolo
elettrone
MICRODOSIMETRIA
Una quantità utilizzata per esprimere la qualità della
radiazione di fasci terapeutici è l’ RBEm microdosimetrico
RBEm =
∞
r(
0
y)d( y)dy
NANODOSIMETRIA
0
10
1
2
-1
10
6
7
H, 20 MeV, ( l )
H, 16 MeV, ( l )
= 2 mg/cm
2
= 1 mg/cm
2
𝑴𝟏 =
= 0.1 mg/cm
2
ion
Li, 26.7 MeV, ( l )
𝝂=𝟎
∞
= 0.05 mg/cm
ion
10
2
𝑭𝟐 =
-3
10
Ratio F2/M1 in a Water Sphere, 3 nm in Diameter,
Irradiated
by a Beam, 6 nm in Diameter
0.30
𝑷(𝝂)
0.25
𝝂=𝟐
La microdosimetria necessita l’utilizzo di
opportune funzioni di peso
0.20
biologiche per tradurre la misura «fisica» in «qualità» della radiazione,
0.15 dato effetto biologico.
intesa come
efficacia nell’indurre un

-4
10
-5
10
0
5
10
15
Cluster size
20
25
30
ratio F2/M1
P ( )
𝝂𝑷(𝝂)
ion
Li, 48 MeV, ( l )
-2
∞
ion
0.10
La
nanodosimetria
(misure
The
ratio
F2/M1 as a function of LET
behaves likedi struttura di traccia) potrebbe fornire
0.05
thegrandezze
RBE for mammalian
cells
fisiche
più direttamente significative a caratterizzare la
0.00
qualità della radiazione.
-1
10
0
10
1
10
2
10
3
10
4
10
LET in keV/mm
Courtesy of Bernd Grosswendt
UNITA’ LNL – SP7
Confronto edanalisi dei dati sperimentali
Coordinamento: L. Evangelista (30%) LNL,
Partecipanti: V.Conte (10%) LNL, P.Colautti (10%) LNL, S.Agosteo (10%) Mi, G.Verona Rinati (10%) Roma2,
L.De Nardo (10%) PD
Obiettivi Scientifici:
• Analizzare comparativamente ed
interpretare i risultati delle misure
microdosimetriche e di struttura di
traccia, anche alla luce dell’esperienza
clinica in radioterapia.
• Individuare le grandezze fisiche
significative, che possano essere
introdotte nei piani terapeutici per
migliorare la terapia con adroni, e gli
strumenti idonei per misurarle.
Sezioni partecipanti
FTE
FTE/Ricercatori
FTE tecnici
LNL
V. Conte (100%)
5.2
0.74
2.0
P. Colautti(100%), M. Poggi(50%), S.
Canella (50%), S. Chiriotti(100%),
M.Togno (100%), L.
Evangelista(20%)
MILANO
A. Pola (50%)
2.3
GP. Egeni (100%)
G. Donà (100%)
0.46
S. Agosteo (50%), M. Lorenzoli
(50%), A.Fazzi (30%), M. V. Introini
(50%)
PADOVA
L. De Nardo (100%)
1.5
0.5
G. D'Angelo
(50%)
0.5
F. Dal Corso (30%), M.Pegoraro
(20%)
ROMA 2
G. Verona Rinati(30%)
1.1
0.28
E. Milani (20%), M. Marinelli (20%),
G. Prestopino ( 40%)
TOTALE
10.1
0.53
2.5
PIANO DI LAVORO 2013 –LNL
SP1
Upgrade di Startrack con l’introduzione del telescopio monolitico al silicio
(SP4) come trigger.
Upgrade di Startrack con l’introduzione di un supporto mobile per diversi
spessori di A150.
Upgrade algoritmo analisi dati (aumentare l’efficienza per eventi di grandi
dimensioni).
Eventuale upgrade hardware del rivelatore di singolo elettrone.
Upgrade e modifica del codice Monte Carlo.
Misure con l’apparato Startrack con fasci monoenergetici di 9B e 14N.
SP3
Costruzione di un mini TEPC per adroterapia con ioni ad alto LET (isolanti
conici)
Sviluppo di un nuovo sistema di trattamento segnale ed acquisizione dati
compatto e veloce (varie ipotesi allo studio: elaborazione digitale, shaper
logaritmico, collaborazione con PoliMI, DLR)
SP7
Analisi comparativa e interpretazione dati.
PIANO DI LAVORO 2014 –LNL
SP1
Misure con l’apparato Startrack con fasci di 12C e 9B dopo diversi spessori di
A150.
Analisi dati, confronto con risultati della simuazione Monte Carlo.
Confronto con I dati sperimentali del nanodosimetro PTB presi al Tandem
(BioQuart).
SP3
Test di funzionamento con presso i LNL e con i fasci neutronici dei LNL
Misure di calibrazione a Monte Cuccolino (ENEA)
Misure a Catania con fasci 12C
SP7
Analisi comparativa e interpretazione dati.
PIANO DI LAVORO 2015 – LNL
SP1
Misure a Tandem-ALPI con fasci di protoni e ioni 14N dopo l’attraversamento
di diversi spessori di A150.
Analisi dati, confronto con risultati della simuazione Monte Carlo.
Confronto con le misure del microdosimetro a contenimento di valanga
(SP2).
Confronto con i dati sperimentali del nanodosimetro PTB presi al Tandem
(BioQuart).
SP3
Misure a Catania con fasci 14N, 7Li, 9B
Misure al CNAO con fasci 12C terapeutici .
Misure al CNAO con fasci di protoni terapeutici di alta energia
Misure al reattore LENA di Pavia con neutroni termici per BNCT
SP7
Analisi comparativa e interpretazione dati.
Collaborazioni esterne
ARDENT: Advanced Radiation Dosimetry European Network Training
ARDENT offre formazione a 15 Early-Stage Researchers (ESR) nel campo della strumentazione avanzata per
dosimetria in campi misti, e per minitoraggio di fasci di ioni clinici usati nella radioterapia. (PoliMI, LNL)
EU funding: 3.92 M€ over 4 years.
Status: Started
01/02/2012 - 31/01/2016
AIT - Austrian Institute of Technology, Vienna, Austria
DLR - The German Aerospace Center
sviluppo elettronica e DAQ compatti
EURAMET: EMRP BioQuaRT
contribuisce alla realizzazione dei sottoprogetti SP1, SP2 e SP3 finanziando con 230 k€ di fondi non ordinari il progetto
UE-BioQuaRT (responsabile Davide Moro)
IOV
Istituto Oncologico Veneto, partecipa, in particolare nella persona della dott.ssa L.Evangelista, all’analisi e
interpretazione dei dati sperimentali, alla luce dell’ esperienza clinica.
MedAustron
il centro di adroterapia in costruzione in Austria, nell’ambito della collaborazione scientifica già iniziata con i laboratori di
Legnaro, contribuisce nei settori della caratterizzazione di microdosimetri a stato solido, della fattibilità di analisi
microdosimetriche in studi clinici e preclinici (responsabile Giulio Magrin 50)
SCK-CEN, Belgium Nuclear Research Centre
Université Lovain-la-Neuve
Contribuisce ai sottoprogetti SP3 e SP4 finanziando il dottorato di Sabina Chiriotti con 160 k€
PTB, «Ionising Radiation Division» (BioQuaRT), nanodosimetro ion counter, sezioni d’urto.