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Alcune attivitadi ricerca in Fisica Medica presso lUniversita di Torino Flavio Marchetto INFN Torino 17/9/2004.

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1 Alcune attivitadi ricerca in Fisica Medica presso lUniversita di Torino Flavio Marchetto INFN Torino 17/9/2004

2 1.Introduzione alla radiazioni ionizzanti: cenni storici grandezze fisiche 2. Effetti biologici della radiazione 3. Radiazione ionizzante naturale e artificiale 4. Uso delle radiazioni per il trattamento radioterapeutico 5. Trattamento conformazionale e adroterapia 6. Rivelatori per la misura delle radiazioni ionizzanti

3 W.K Roetgen scopre i raggi X A.H. Becquerel scopre la radioattivita : radiazione invisibile emessa da sostanze fosforescenti ( sali duranio) I pionieri

4 1898 Pierre e Marie Curie scoprono il polonio e il radio

5 La natura della radioattivita 1899 E. Rutherford studia le proprieta delle radiazioni ionizzanti emesse dalluranio: Ipotesi: il decadimento radioattivo implica la trasmutazione da un elemento chimico ad un altro

6 Esempi : ( notazione Z N A ) 1) decadimento 92 U 238 -> 90 Th He 4 ( He e' detto ) Il numero di nucleoni prima e dopo il decadimento non cambia 238 ( prima dell'urto ) = (dopo l'urto) 2) decadimento 90 Th 234 -> 91 Pa e - ( lo e - e' detto ) Anche in questo caso il numero totale di nucleoni non cambia ma un neutrone del Torio e' decaduto in un protone + elettrone + neutrino 3) decadimento 91 Pa 234 -> 91 Pa ( e' una radiazione elettromagnetica)

7 Tutti i radionuclidi sono raggruppati in famiglie di elementi che decadono fino ad un isotopo stabile del Pb con legge esponenziale: N(t) = N 0 e - t essendo la vita media Lattivitadi una sorgente e definita dal numero di disintegrazioni nellunitadi tempo.

8 Si definiscono le seguenti grandezze: 1) unita' di attivita' : Becquerel : 1 Bq = 1 disintegrazione/s oppure Curie: 1 Ci = 3.7x10 10 disintegrazioni/s 2) unita' di Dose assorbita: Gray(Gy) che misura l'energia E assorbita da un corpo di massa M -> D = E/M 1 Gy = 1 Joule/kg = 6.24 x keV/kg 3) unita' di Dose equivalente (di danno biologico) : sievert (Sv) Dose equivalente = Dose assorbita w Sv = Gy w -> 1 Sv = 1 Gy se w = 1 ove w dipende dal tipo di radiazione : w=1 per (elettroni), (fotoni) e muoni; w = 20 per.

9 Effetti biologici della radiazione Leccitazione e la ionizzazione delle molecole del tessuto inducono un danno cellulare danno diretto al DNA dovuto alla rottura dei legami molecolari danno indiretto dovuto alla ionizzazione di molecole di H 2 O con creazione di radicali liberi che attaccano chimicamente le cellule

10 Oltre alla radioattivita' naturale, si e' soggetti alla radiazione dovuta alle 'attivita' umane': radiografie; TAC; trattamenti radioterapeutici; emissione di centrali nucleari (in prima approssimazione, non in Italia). Radiazione ionizzante naturale e artificiale

11 Dose totale annuale 2.2 mSv 87% naturale 13% artificiale

12 Confronto dei valori dovuti alla radioattivita' naturale che va da 0.4 a 4 mSv/anno (con punte in certe regioni del mondo a 50 mSv/anno) con alcune sorgenti di radioattivita' artificiale [ per irraggiamento con fotoni o elettroni 1Gy = 1 Sv poiche w = 1] 1) Radiografia al torace: Dose equivalente = 1 mSv (equivalente a circa 2 anni di radioattivita' naturale.) 2) TAC: Dose equivalente 10 mSv (equivalente a circa 20 anni di radioattivita' naturale.) 3) trattamento radioterapeutico (trattamento per i tumori): Dose equivalente 50 Sv (tutte le cellule del bersaglio sono distrutte.)

13 Esaminiamo ora le apparecchiature e i rivelatori che stanno attorno ai trattamenti radioterapeutici: acceleratori di particelle 1.ciclotroni 2.linac 3.sincrotrone rivelatori per la misura della dose Uso delle radiazioni per il trattamento radioterapeutico

14 Terapia dei tumori con radiazioni 100 % of tumor patients Treatment available 45 % Treatment non available 55 % Local treatments (surgery, radiotherapy) 40 % Systemic treatments (chemotherapy, etc) 5 % Surgery alone 22 % With radiotherapy 18 % 90 % 10 % 56 % 44 % 40 % of total

15 ciclotrone F = q E F = q v B ove E campo elettrico e B campo magnetico

16 Linac per elettroni a Frascati-INFN: 3 GHz Sorgente di protoni o di ioni carbonio 300 MHz Linac

17 sincrotrone ADONE a Frascati m Cavità a RF: 1- 5 MHz

18 I radioterapisti usano un solo tipo di acceleratore: linac per elettroni target Multileaf collimator 3 GHz Electron linac 270 bending magnet e - X on target Flattening filters Ion chambers Maximum dose rate: ~ 5 Gy/min

19 Testata rotante, collimatore multilamellare e sistema piani di trattamento (TPS)

20 Piano di trattamento (TPS) e linsieme di operazioni della macchina acceleratrice per ottenere la dose prescritta dal medico nel volume da trattare. Quindi il TPS definisce langolo da cui si irraggia il paziente e la forma

21 Gli adroni sono fatti di quark ione carbonio = 6 protoni + 6 neutroni atomo protone o neutrone quark u o d elettrone e Cosa sono gli adroni? Trattamento terapeutico davanguardia prevede luso di adroni

22 (PSI – Villigen) 200 MeV protons 4700 MeV Carbon Spread Out Bragg Peak Distribuzione della perdita di energia in funzione della profondita per elettroni raggi X protoni e ioni Carbonio picco di Bragg profondita del picco e funzione della energia delladrone

23 Vantaggio macroscopico dell adroterapia Rapid fall-off raggi X protoni

24 I protoni sono piu precisi dei raggi X: esempio tumore tra gli occhi 9 fasci X 1 fascio di protoni

25 Vantaggio microscopico degli ioni carbonio LET RBE – 20 keV/mm = 100 – 200 MeV/cm = 20 – 40 eV/(2 nm)

26 Passive system Active system Beam delivery system

27 Rivelatori per la misura della dose in funzione della posizione (x,y) e del tempo: granularita sufficiente per determinare la forma esatta del fascio velocita di reazione adeguata per poter bloccare il trattamento se il sistema di trattamento non segue le specifiche richieste dal piano di trattamento camera a ionizzazione

28 Principio della camera a ionizzazione: V -V catodoanodo si raccoglie una corrente proporzionale al numero di particelle cariche che attraversano la camera nellunita di tempo particella carica

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32 Pixel chamber Parallel plate ionization chamber Anode segmented in 1024 pixels Pixel dimension = mm 2 Sensitive area = cm 2 25 μm kapton + 20 μm copper Digital output (16 bit) 1024 independent electr. channels Readout time = N. of Pixel 100 ns No dead time Tested 2 times at GSI on therapeutical beam Produced by INFN Torino

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34 Front-end electronics TERA05 VLSI chip designed by INFN Torino 64 channels digital output (16 bit) sensitivity between 100 and 800 fC max frequency = 5 MHz readout frequency = 10 MHz no dead time

35 Collaboration (INFN To) The chip has been produced and is used by IBA and Wellhofer/Scanditronix Research Industry

36 Collaboration (INFN To) CATANA Project Laboratori Nazionali del Sud INFN Catania Strip detectors and electronics to monitor (x and y): beam position symmetry

37 Test at GSI - results E = MeV/u Intensity = ions/spill σ = 0.8 % Uniform dose on 12×12 cm 2 FWHM = 7.1 mm

38 Spatial resolution < 0.2 mm GSI test - results

39 Pixel chamber for photon 2D dose verification

40 CNAO Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica

41 CNAO building

42 The accelerator


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