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Laurea Magistrale in Fisica Ottimizzazione del disegno di un dosimetro per trattamenti adroterapeutici Angela Bollella Relatore: Riccardo Faccini Correlatore:

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1 Laurea Magistrale in Fisica Ottimizzazione del disegno di un dosimetro per trattamenti adroterapeutici Angela Bollella Relatore: Riccardo Faccini Correlatore: Cecilia Voena 20 Dicembre 2013

2 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 20/12/2013Angela Bollella2

3 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 20/12/2013Angela Bollella3

4 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 20/12/2013Angela Bollella4 FASCIO DI IONI CARBONIO (trattamento dose 2 Gy) COMPONENTE CARICA COMPONENTE NEUTRA Fotoni prompt da diseccitazione nucleare Interazione con il tessuto bersaglio

5 Sistema di monitoraggio in tempo reale del deposito di dose 20/12/2013Angela Bollella5 Dosimetria MISURA ENERGIA RILASCIATA DALLA RADIAZIONE NELLA MATERIA Controllo della dose dai parametri del fascio terapeutico FOTONI Interazioni coulombiane con gli atomi del materiale attraversato PARTICELLE CARICHE

6 Il dosimetro TRACCIATORE SCINTILLATORE PLASTICO CRISTALLO DI LYSO Z X,Y ELETTRONI 6 piani fibre 500 μm (X,Y) a intervalli di 2 cm Area 19.2 x 19.2 cm 2 Lettura a gruppi di due con SiPM 1 mm 2 ELETTRONI 20 x 20 x 1.5 cm 3 e distanza 2 cm dall’ultimo piano di fibre. Lettura con fibre wavelength shifter e due SiPM FOTONI 20 x 20 x 2 cm 3 Lettura con 16 fotomoltiplicatori multianodo Hamamatsu H /12/2013Angela Bollella6 DIFFUSIONE COMPTON

7 Simulazione MONTE CARLO Simulazione delle grandezze caratteristiche di un sistema di particelle per estrapolare le proprietà fisiche del sistema stesso 20/12/2013Angela Bollella7 C.Agodi, F.Bellini et al. Precise measurement of prompt photon emission for carbon ion therapy, JINST 7 P0301 (2012) Spettro di energia (MeV) dei fotoni prompt Sorgente di emissione puntiforme a cono (apertura angolare circa accettanza del rivelatore) a 30 cm dal rivelatore SELEZIONE EVENTI COMPTON  Elettroni con almeno tre piani del tracciatore attraversati  Fotoni diffusi al LYSO

8 20/12/2013Angela Bollella8 6 PIANI DI SCINTILLATORE PLASTICO 10 x 10 cm 2 (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 cm 3 CRISTALLO DI LYSO 10 x 10 x 3 cm 3 OTTIMIZZAZIONE DEL DISEGNO DEL DOSIMETRO  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 Risoluzione delle fibre distribuzione simulata di σ=300 μm

9 Frazione di eventi in cui la traccia ricostruita è compatibile con quella dell’elettrone Compton EFFICIENZA DI TRACCIAMENTO RISOLUZIONE SULLA DIREZIONE DELL’ELETTRONE COMPTON Deviazione angolare scattering multiplo Risoluzione sul coefficiente angolare 20/12/2013Angela Bollella9 1° piano attraversato: fit di Kalman

10  Si considera la congiungente il punto di intersezione della traccia dell’elettrone Compton con il piano del LYSO a z=z LYSO  Si misura la distanza tra il punto di intersezione e le coordinate del rilascio energetico nel LYSO  TRACCIAMENTO FOTONE COMPTON Generazione FOTONI OTTICI dal fotocatodo 20/12/2013Angela Bollella10  Distibuzione spaziale dei rilasci energetici tramite registrazione con fotomoltiplicatori multianodo

11 RISOLUZIONE SULLA DIREZIONE DEL FOTONE COMPTON Risoluzione spaziale coordinata x (cm) Risoluzione spaziale coordinata y (cm) σ corr = (0.060 ± 0.010) cm σ corr = (0.062 ± 0.001) cm COORDINATA RECO (fit Gaussiano bidimensionale) - COORDINATA VERA (Monte Carlo) 20/12/2013Angela Bollella11

12 Dipendenza σ x dalla profondità di interazione dei fotoni Compton nel LYSO Risoluzione spaziale coordinata Z (cm) σ corr = (0.124 ± 0.002) cm A, B costanti del fit Gaussiano bidimensionale 20/12/2013Angela Bollella12 RISOLUZIONE SULLA DIREZIONE DEL FOTONE COMPTON

13 OTTIMIZZAZIONE PER LA RICOSTRUZIONE DEI FOTONI COMPTON Distribuzione dei depositi energetici fotoni e elettroni (MeV) nel LYSO 20/12/2013Angela Bollella13 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

14 Ricostruzione fotone primario c 1 MC = ± /12/2013Angela Bollella14 Direzione fotone Compton al LYSO dal fit Gaussiano bidimensionale Direzione elettrone Compton nel tracciatore dal fit di Kalman

15 20/12/2013Angela Bollella15 OTTIMIZZAZIONE DELLO SPESSORE DEI PIANI DI FIBRE Proiezione di sul piano ortogonale all’asse z dove è posta la sorgente xproj = x RECO - x VERA  fit Gaussiano σ=risoluzione RISOLUZIONE SPAZIALE DEL FOTONE PRIMARIO Sorgente puntiforme a cono Eventi selezionati: selezione eventi Compton Risoluzione spaziale migliore per i piani di scintillatore plastico con spessore 1 mm e 2 mm risoluzione complessiva fotoni Compton ricostruiti

16 RISOLUZIONE SUL SINGOLO FOTONE PRIMARIO Distribuzione xproj = x RECO - x VERA σ = (80.99 ± 1.15) mm RISOLUZIONE COMPLESSIVA DEI FOTONI COMPTON RICOSTRUITI = (1.00 ± 0.014) mm x RECO – x vera (mm) 20/12/2013Angela Bollella16 RISOLUZIONE SPAZIALE DEL FOTONE PRIMARIO Piano di scintillatore plastico con spessore 2 mm Statistica riscalata a un trattamento tipico di adroterapia Risoluzione spaziale σ = (2.21 ± 0.031) mm

17 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 20/12/2013Angela Bollella17


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