ACCELERATORI LINEARI
Com’è fatto un ACCELERATORE LINEARE ?
Com’è fatto un ACCELERATORE LINEARE ?
• Impulsi distribuiti al magnetron/klystron e simultaneamente all’electron gun;
• Microonde impulsate prodotte nel magnetron/klystron (più precisamente il
magnetron è effettivamente un generatore di microonde mentre il klystron è un
amplificatore – le microonde sono prodotte in un oscillatore annesso) e iniettate
nel tubo accelerante attraverso una struttura a guida d’onda;
• All’istante opportuno iniettati gli elettroni a un’energia iniziale di circa 50 keV;
• La cavita’ accelerante consiste di un tubo di rame, in cui viene fatto il vuoto,
suddiviso in dischi di rame;
• Gli elettroni interagiscono con il campo elettromagnetico delle microonde
guadagnando energia come un surfista guadagna velocità sulla cresta delle onde
marine.
• Gli elettroni che emergono dalla finestra di uscita sono un pencil beam di circa 3 mm
di diametro.
• Nei linac di bassa energia (fino a 6 MeV), con un tubo accelerante relativamente
corto, gli elettroni procedono diritti contro un bersaglio per la produzione di raggi X.
• Nei linac di piu’ alta energia la struttura accelerante è più lunga e forzatamente
disposta in orizzontale; gli elettroni vengono quindi piegati prima di colpire il
bersaglio, per mezzo di magneti e focalizzatori.
Esempio: Varian Clinac 18 unit produce elettroni di energie
6,9,12,15,18 MeV e raggi X di 10 MV.
• Gli elettroni che emergono dalla finestra di uscita sono un pencil beam di circa 3 mm
di diametro.
• Nei linac di bassa energia (fino a 6 MeV), con un tubo accelerante relativamente
corto, gli elettroni procedono diritti contro un bersaglio per la produzione di raggi X.
• Nei linac di piu’ alta energia la struttura accelerante è più lunga e forzatamente
disposta in orizzontale; gli elettroni vengono quindi piegati prima di colpire il
bersaglio, per mezzo di magneti e focalizzatori.
Esempio: Varian Clinac 18 unit produce elettroni di energie
6,9,12,15,18 MeV e raggi X di 10 MV.
• Il fascio di elettroni è monocromatico e si suole designare con l’energia in MeV.
• Il fascio di fotoni è eterogeneo in energie e si suole designare in MV. (L’energia
media del fascio di fotoni è approssimativamente 1/3 dell’energia massima, che
coincide con quella degli elettroni incidenti.)
TESTATA
Materiale ad alta densità come piombo, tungtsteno o leghe piombo-tungsteno, in
spessore sufficiente a schermare la radiazione. Contiene:
 BERSAGLIO PER RAGGI X, spesso a sufficienza da assorbire la maggior
parte degli elettroni incidenti;
 COLLIMATORI fissi e mobili;
 FOGLI DIFFUSORI
(vedi dettagli
del trattamento con e);
 FILTRI
(vedi dettagli
del trattamento con X):
TESTATA
 CAMERE DI MONITORAGGIO: il fascio di X dopo il filtraggio o il fascio di
elettroni dopo i fogli diffusori colpiscono un sistema di monitoraggio. Si tratta
di un insieme di camere a ionizzazione per la verifica della dose e della
simmetria di campo. Dal momento che questi strumenti sono situati in un campo
di radiazione ad alta intensità e che il fascio è impulsato è importante
assicurarsi che l’efficienza di raccolta degli ioni sia costante.
 ULTERIORI COLLIMATORI: 2 coppie di blocchi di piombo o tungteno
ritagliano la forma rettangolare del campo.
N.B.: Nel caso degli elettroni, che diffondono prontamente in aria, la
collimazione del fascio deve avvenire molto vicino al paziente.
 GANTRY: la maggior parte sono oggi giorno costruiti in modo che la sorgente
di radiazione possa ruotare intorno ad un asse orizzontale. Il punto di
intersezione tra l’asse del fascio e l’asse di rotazione del gantry si chiama
isocentro.
Com’è fatto un ACCELERATORE LINEARE ?
STAND: produzione di microonde
GUIDA ACCELERANTE
TESTATA
GANTRY
isocentro
LETTINO PORTAPAZIENTE
FASCIO di FOTONI
COLLIMATORE
variabile
DIMENSIONI
del CAMPO DI
TRATTAMENTO
elettroni
BERSAGLIO
DI ELEVATO Z
Produzione di
FOTONI
per FRENAMENTO
Riguardare il funzionamento del tubo a raggi X
In radioterapia al giorno d’oggi i raggi X sono prodotti con
gli acceleratori lineari ma la fisica sottostante è la
medesima.
Heel effect – filtri compensatori
Poichè i raggi X sono prodotti a varie
profondità nel bersaglio vanno incontro
all’attenuazione in diverse misure.
L’attenuazione è molto più rilevante per i
fotoni provenienti da profondità maggiori
che per quelli che provengono dalla
superficie del bersaglio. Questo effetto è
detto heel effect. Il problema si può
minimizzare utilizzando un filtro
compensatore.
Filtraggio della componente di bassa energia
Se non ci fosse filtrazione lo spettro sarebbe una
linea retta che interseca l’asse delle ascisse nel
punto corrispondente alla massima energia radiabile,
ovvero a quella dell’elettrone incidente.
SPETTRO DI RAGGI X
Spettro continuo di
fotoni di frenamento
Fotoni di
bassa energia
eliminati
Raggi X caratteristici
Filtraggio della componente di bassa energia
Se non ci fosse filtrazione lo spettro sarebbe una
linea retta che interseca l’asse delle ascisse nel
punto corrispondente alla massima energia radiabile,
ovvero a quella dell’elettrone incidente.
Tuttavia i fotoni X vengono filtrati naturalmente dal
materiale circostante (pareti del tubo, finestra di
uscita,…).
Ulteriori filtri vengono aggiunti per filtrare
ulteriormente la componente molle.
Filtri appiattitori
Di piombo, tungsteno, uranio,
acciaio, alluminio servono per
uniformare su tutta l’estensione del
campo l’ intensità di fotoni X che
alle alte energie di un trattamento è
piccata nella direzione in avanti.
FASCIO di ELETTRONI
COLLIMATORE
variabile
DIMENSIONI
del CAMPO DI
TRATTAMENTO
elettroni
Allargamento del fascio di elettroni
FOGLI DIFFUSORI per allargare il fascio e ottenere una
fluenza uniforme in tutto il campo di trattamento (sottile,
metallico, solitamente di piombo, di spessore tale che la
maggior parte degli elettroni siano diffusi anziche’ frenati;
tuttavia permane un fondo di contaminazione di raggi X.)
PER CONFORMARE LA DOSE
Per migliorare la distribuzione della dose al volume
bersaglio si può:
1. Utilizzare una tecnica a più campi contrapposti: la
regione viene irradiata non con un unico campo di
irradiazione bensì con diversi fasci
2. Utilizzare spessori (in materiale tessuto
equivalente) o fasci schermati in alcune parti
3. Utilizzare modificatori del fascio (cunei) per
rendere la dose più omogenea
PER CONFORMARE
LA DOSE
BLOCCHI
in piombo
COLLIMATORI LAMELLARI
VOLUME
TUMORALE
lamelle
VOLUME
TUMORALE
campo di irradiazione
COME E QUALE DOSE VIENE VIENE
EFFETTIVAMENTE ASSORBITA NEL
PAZIENTE?
MISURE DI DOSE: FANTOCCIO
I dati sulla distribuzione di dose sono quasi
interamente ricavati da misure in fantocci di
materiali tessuto-equivalenti, tali cioè da
approssimare le proprietà di assorbimento della
radiazione tipiche dei tessuti umani e grandi
abbastanza da riprodurre gli effetti di diffusione
del corpo umano. Solo raramente è possibile
misurare la distribuzione di dose in pazienti
trattati. Poichè non è sempre possibile far
lavorare i rivelatori di radiazione in acqua, sono
stati sviluppati anche fantocci solidi e asciutti.
La dose depositata nel paziente come in qualsiasi
mezzo attraversato varia con la profondità.
Questa variazione dipende dall’energia del fascio,
dalla profondità, dalla distanza dalla sorgente, dal
sistema di collimazione del fascio…
Misure dose-profondità
CURVE ISODOSE
La distribuzione dose-profondità lungo l’asse centrale non è sufficiente a
caratterizzare il deposito di dose in 3 dimensioni. Per rappresentare
variazioni volumetriche e planari della dose assorbita si fa ricorso alle curve
isodose, linee che uniscono punti di uguale dose assorbita.
La dose è maggiore sull’asse centrale del fascio e gradualmente descresce
verso i bordi, con l’eccezione di alcuni linac che esibiscono “corni” di alta dose
vicino alla periferia del campo, creati dal filtro appiattitore.
Vicino al bordo del fascio (penombra) la dose diminuisce rapidamente in
funzione della distanza laterale dall’asse del fascio.
MISURE DELLA DOSE ASSORBITA DAL FASCIO DI FOTONI
BUILD-UP DELLA DOSE, ovvero dose ridotta in superficie e massimo di dose in
profondità
La fisica del build up della dose si può spiegare come segue: non appena il
fascio di fotoni attraversa il paziente o il fantoccio, elettroni di alta velocità
sono emessi dalla superficie e dagli strati sottostanti. Questi elettroni
depositano la loro energia significativamente lontano dal punto in cui sono
emessi. La fluenza di elettroni e la dose assorbita pertanto aumentano con la
profondità. Nel contempo però la fluenza di fotoni diminuisce con la
profondità poichè il fascio di fotoni si attenua e quindi la produzione di
elettroni diminuisce. L’effetto netto è che oltre ad una certa profondità la
dose comincia comunque a descrescere.
COME SI MISURA LA DOSE?
GLI STRUMENTI DI MISURA SI
BASANO SUI PRINCIPI FISICI DI
INTERAZIONE DELLA RADIAZIONE
CON LA MATERIA
CAMERA A IONIZZAZIONE
Misura le cariche elettriche prodotte dalla ionizzazione del gas e raccolte da
elettrodi, tra cui è stabilita una opportuna differenza di potenziale.
Il fascio di fotoni mette in moto elettroni per effetti fotoelettrico, Compton
e produzione di coppie; gli elettroni ionizzano il mezzo;
Il fascio di elettroni ionizza direttamente il gas.
CAMERA A IONIZZAZIONE
All’aumentare della differenza di potenziale tra gli elettrodi la corrente di
ionizzazione cresce all’inizio linearmente e poi più lentamente. Fino a che il
potenziale è basso (i) la raccolta di ioni è incompleta in quanto gli ioni positivi
e negativi tendono a ricombinarsi. Quanto la tensione viene alzata molto
sopra la (ii) saturazione gli ioni, accelerati dal campo elettrico, ricevono
sufficiente energia da produrre ionizzazione secondaria collidendo con le
molecole del gas. Ciò risulta in una rapida (iii) moltiplicazione e la corrente di
nuovo dipende fortemente dalla tensione applicata. La camera deve essere
usata nella regione di saturazione piuttosto che in quella di moltiplicazione
per evitare che piccole variazione della tensione si riflettano in grandi
variazioni della corrente.
Efficienza di raccolta: rapporto tra il numero di ioni raccolti e il numero di
ioni prodotti. Per quanto possibile la tensione di alimentazione deve essere
aggiustata in modo tale da dare un’efficienza di collezione del 99%.
Se la camera non è isolata risente delle variazioni di temperatura e pressione
dell’aria in quanto comunica con l’ambiente esterno. Poichè la densità dell’aria
dipende da temperatura e pressione secondo le leggi dei gas, la densità
dell’aria nel volume della camera ne dipenderà di conseguenza (aumenta
all’aumento di temperatura e pressione).
MISURE DI ESPOSIZIONE CON CAMERE A IONIZZAZIONE AD ARIA
Alcuni elettroni depositano la loro energia fuori dal volume di raccolta ma d’altra
parte altri elettroni prodotti esternamente possono produrre ionizzazione
all’interno -> equilibrio elettronico (OK definizione Roentgen)
Al crescere dell’energia dei fotoni il range degli elettroni misurati in aria aumenta
rapidamente. Questo richiede un aumento della distanza tra gli elettrodi per
mantenere l’equilibrio elettronico, il che d’altra parte comporta effetti collaterali
(attenuazione in aria, diffusione degli elettroni, riduzione dell’efficienza di
raccolta).
NON USATE ROUTINARIAMENTE, sostituite da camere a ditale.
MISURE DI DOSE CON CAMERE A DITALE (THIMBLE CHAMBERS)
- Esterni di grafite o plastica A150
- Volume raccolta tipico: 0.6cc
- Cavo coassiale che sia porta il segnale sia
alimenta la camera. Lo strumento a cui è
collegato permette sia di alimentarla sia di
leggerla; la lettura dà la carica raccolta
(nell’ordine dei pC).
-Tensione tipica di alimentazione: -250V
(regime di ionizzazione)
Per misurare la dose in un punto
della regione di build up o alla
superficie il rivelatore deve
essere molto sottile perchè non
si verifichi gradiente di dose
attraverso il volume sensibile
dello strumento. Inoltre lo
strumento non deve perturbare il
campo di radiazione.
Fotoni:
La camera va posizionata oltre il build up.
Dato il materiale è nota la profondità di
build up. Sia nel fantoccio solido, sia nella
vasca d’acqua sono possibili varie
profondità di misura. Ci sono anche slitte
che permettono di fare una scansione sul
piano x-y.
Per gli elettroni si usano anche camere a
elettrodi piani.
MISURE DI DOSE CON CAMERE A IONIZZAZIONE
Per mezzo di un fattore di calibrazione dose/carica
la lettura restituisce:
- dose in aria (bisogna allora calcolare la dose in
acqua corrispondente)
- direttamente la dose in acqua
Poichè la densità varia con temperatura e pressione
bisogna correggere dalle condizioni di taratura a
quelle di misura.
MISURE DI DOSE CON RIVELATORI A STATO SOLIDO
o Dosimetri a termoluminescenza (LiF, Li2B4O7, CaF2): molti materiali
cristallini manifestano termoluminescenza ovvero quando vengono irraggiati
una piccola frazione dell’energia assorbita è immagazzinata nel reticolo
cristallino e viene “restituita” sotto forma di luce visibile se il materiale
viene riscaldato.
CONTRO: non sono possibili letture on line
o Diodi al silicio: si tratta sostanzialmente di giunzioni p-n: una giunzione p-n
si ottiene affiancando un cristallo drogato p con un cristallo drogato n.
PRO: alta sensibilità, risposta istantanea, piccole dimensioni,
vantaggi rispetto alle camere a ionizzazione
Poichè l’energia richiesta per produrre una coppia elettrone-lacuna nel
silicio è 3.5 eV, comparata ai 34 eV richiesti per ionizzare l’aria e poichè la
densità del silicio è 1800 volte la densità dell’aria, la corrente prodotta per
unità di volume è 18000 volte maggiore in un diodo che in una camera a
ionizzazione. Quindi un diodo, anche con poco volume di raccolta, può
fornire un segnale significativo.
RADIAZIONI UTILIZZATE IN RADIOTERAPIA
Le radiazioni sono generate da
1. Acceleratori lineari
2. Ciclotroni
3. Betatroni
4. Radionuclidi
In passato: Kilovoltage units, acceleratore di Van de Graaf
ACCELERATORI CIRCOLARI
 Compattezza costruttiva
 Impiegati oltre che per la generazione di fasci
terapeutici anche per la produzione di radioisotopi,
ottenuti indirizzando contro un opportuno
bersaglio il fascio estratto dall’acceleratore.
Ne parleremo durante il corso di fisica delle
macchine per medicina nucleare
RADIONUCLIDI:
TELECOBALTOTERAPIA
TELECOBALTOTERAPIA
Radionuclidi come il radio 226, il cesio 137 e il cobalto 60 sono stati usati come
sorgenti di raggi gamma per teleterapia. I raggi gamma sono emessi dal
radionuclide che decade.
radionuclide
Vita media (y)
Energia (MeV)
Attività specifica
(Ci/g)
Radio 226
1.622
0.83
0.98
Cesio 137
30.0
0.66
50
Cobalto 60
5.26
1.17,1.33
200
Di tutti i radionuclidi il cobalto 60 è quello che più si presta per teleterapia per la
più alta attività specifica e la maggiore energia media dei fotoni emessi.
Il
60Co
viene prodotta irradiando 59Co con neutroni in un reattore.
Il 60Co decade in 60Ni con l’emissione di particelle β di energia massima 1.32
MeV e di due fotoni di energie 1.17 e 1.33 MeV.
La sorgente, usualmente di forma cilindrica (dimensioni di 1-2 cm) o di disco o di
pallet, è contenuta all’ interno di capsule di acciaio inossidabile. The double
welded seal è necessario per contenere perdite radioattive. I raggi β vengono
assorbiti nelle capsule con conseguente emissione di fotoni di bremsstrahlung e
di raggi X caratteristici. Questi ultimi, di energie medie di 0.1 MeV, non
contribuiscono apprezzabilmente alla dose nel paziente perchè sono fortemente
attenuati nel materiale della sorgente e della capsula. L’altro “contaminante”
sono i raggi γ di bassa energia prodotti dall’ interazione dei fotoni primari con la
sorgente, la capsula, l’alloggiamento della sorgente e il sistema di collimazione.
Il fatto che la sorgente non sia puntiforme complica la geometria del fascio e
dà origine alla cosidetta penombra geometrica.
• Esercizio: il 60Co decade emettendo radiazioni beta con un
tempo di dimezzamento di 5.27 anni nel 60Ni, che a sua volta
emette raggi gamma pronti (cioe’ dopo un tempo quasi nullo).
Calcolare la massa di una sorgente di 60Co da 1000 Ci.