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 ADROTERAPIA PROGETTO DI RICERCA Il dosimetro OTTIMIZZAZIONE DEL DISEGNO DEL DOSIMETRO: Ricostruzione componente neutra del flusso secondario proveniente dal paziente CONCLUSIONI 20/12/2013 Angela Bollella

Trattamento di tumori con fasci di adroni (ioni leggeri e protoni) 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 Definiamo l’adroterapia come la tecnica oncologica che fa uso di fasci di adroni (quali ioni leggeri e protoni) per il trattamento di tumori. A differenza della radioterapia convenzionale, il suo principale vantaggio risiede in un maggior rilascio di energia da parte di queste particelle alla massa tumorale, minimizzando i danni arrecati ai tessuti sani circostanti. Il rilascio di dose nei tessuti irradiati rappresenta la quantità fisica maggiormente significativa. Definiamo dose assorbita il rapporto tra dE energia rilasciata dalla particella ionizzante nell’elemento di massa dm. Si misura in Gy. Nella figura sono riportati i diversi andamenti della dose rilasciata in funzione della profondità di penetrazione lungo un percorso di riferimento in acqua. Verde:protoni; Celeste:raggiX; Blu:raggi gamma ;rosso:ioni carbonio a diverse energie. Si nota che i raggi X a bassa energia mostrano una riduzione esponenziale della dose all’aumentare della profondità di penetrazione. Per i fotoni ad alta energia il fenomeno di build up provoca uno spostamento del picco a qualche centimetro dalla superficie del corpo del paziente. Al contrario, il profilo di dose rilasciata per i protoni e gli ioni carbonio risulta caratterizzato da un picco stretto e alto, ben delineato e situato alla fine del loro cammino nel materiale assorbente: è detto picco di Bragg e, modificando l’energia cinetica iniziale del fascio, la sua posizione può essere adeguatamente spostata alla profondità desiderata nel tessuto bersaglio. DOSE ASSORBITA 20/12/2013 Angela Bollella

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 COMPONENTE CARICA (trattamento dose 2 Gy) COMPONENTE NEUTRA Interazione con il tessuto bersaglio Fotoni prompt da diseccitazione nucleare 20/12/2013 Angela Bollella

Dosimetria MISURA ENERGIA RILASCIATA DALLA RADIAZIONE NELLA MATERIA FOTONI PARTICELLE CARICHE Interazioni coulombiane con gli atomi del materiale attraversato Poiché il picco di Bragg ha un’estensione longitudinale piuttosto limitata (circa 1 cm) e quindi poco sufficiente a coprire l’intera estensione in profondità di un tumore (varia da 0,5 a 16 cm), quello che si fa è inviare il fascio a energie diverse in modo da sovrapporre i picchi per ottenerne uno più largo definito SOBP (Spread Out Bragg Peak). Nella Figura è riportata un’immagine di SOBP per i diversi andamenti del rilascio di dose da parte delle particelle lungo il loro percorso in acqua. Dopo la produzione e l’accelerazione del fascio al livello energetico prestabilito (fascio inviato da diverse direzioni), si trova il Beam Delivery. Si tratta di un sistema responsabile del trasporto del fascio nell’area di trattamento tale da garantire una distribuzione di dose il più possibile accurata e omogenea in corrispondenza del volume del bersaglio pianificato (PTV, Planning Target Volume) Nella Figura è riportato il confronto tra radioterapia convenzionale e adroterapia: a sinistra i trattamenti con raggi X; a destra quelli con protoni o ioni carbonio. Si nota una maggiore precisione nel rilascio di energia per gli ioni carbonio e protoni sulla massa tumorale. 1) DOSE DEPOSITATA DAGLI IONI SULLA MASSA TUMORALE E’ BEN CONFINATA NELLA DIMENSIONE LATERALE: l’allargamento del picco di Bragg è più pronunciato per i protoni (interazioni coulombiane elastiche tra i nuclei del bersaglio e queste particelle) 2) ALTA RBE PER GLI IONI (va da 1 nella zona di plateau a 3-4 nella zona in corrispondenza del picco di Bragg). 3) ALTO LET PER GLI IONI: ioni limitano effetti legati alla iperossigenazione, ovvero alla condizione per cui si ha un aumento di ossigeno nel sangue. Le neoplasie ipossiche richiedono una maggiore dose rilasciata. 4) FRAMMENTAZIONE NUCLEARE PER GLI IONI: rilascio di particelle secondarie anche dopo il picco di Bragg. Uso della PET che sfrutta l’emissione di isotopi beta+ (emittori); questo comporta la possibilità di monitorare l’intervallo del fascio primario, nonché ottenere una verifica indiretta del piano di trattamento se si va a modulare la profondità di penetrazione. Gli emittori emettono positroni che si annichilano in una coppia di fotoni collineari la cui zona di emissione può essere rivelata in situ tramite uno SCANNER PET: questa zona coincide con quella del picco di Bragg. Limiti dovuti a bassa accettanza angolare e gestione nella sala da trattamento doppia testa. SPECT: monitoraggio in beam sulla base di emissione di fotoni prompt (scala temporale molto veloce) da diseccitazione nucleare. Limities. Camera Compton. 5) BETHE-BLOCK perdita di energia va come l’inverso di beta alla terza: aumenta con il diminuire della velocità della particella. Allo stato attuale dell’arte, non esistono ancora sistemi che garantiscono una fattibilità del monitoraggio in vivo, ovvero sistemi capaci di monitorare e osservare in tempo reale la deposizione di dose. Gli effetti di un trattamento non dipendono soltanto dal rilascio di dose ma anche da tre parametri quali LET,OER e RBE. Il LET definito come il rapporto tra la quantità di energia rilasciata dalla particella carica e lo spessore di tessuto all’interno del quale questa energia viene rilasciata. L’OER indica il grado di ossigenazione del tessuto da trattare, D è la dose rilasciata per produrre un certo effetto biologico nel tessuto non ossigenato e D0 la dose che produrrebbe lo stesso effetto se il tessuto lo fosse. Infine la RBE che è definita come il rapporto tra la dose di una radiazione di riferimento, rappresentata da un fascio di raggi X a 220 keV, e quella della radiazione in esame necessaria a produrre un determinato effetto biologico. La Figura mostra la dipendenza lineare tra i tre parametri. Controllo della dose dai parametri del fascio terapeutico Sistema di monitoraggio in tempo reale del deposito di dose 20/12/2013 Angela Bollella

SCINTILLATORE PLASTICO Il dosimetro DIFFUSIONE COMPTON CRISTALLO DI LYSO FOTONI 20 x 20 x 2 cm3 Lettura con 16 fotomoltiplicatori multianodo Hamamatsu H8500 X,Y Z TRACCIATORE SCINTILLATORE PLASTICO 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 ELETTRONI 20 x 20 x 1.5 cm3 e distanza 2 cm dall’ultimo piano di fibre. Lettura con fibre wavelength shifter e due SiPM 20/12/2013 Angela Bollella

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 Spettro di energia (MeV) dei fotoni prompt SELEZIONE EVENTI COMPTON Elettroni con almeno tre piani del tracciatore attraversati Fotoni diffusi al LYSO C.Agodi, F.Bellini et al. Precise measurement of prompt photon emission for carbon ion therapy, JINST 7 P0301 (2012) 20/12/2013 Angela Bollella

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 CRISTALLO DI LYSO 10 x 10 x 3 cm3 Risoluzione delle fibre 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 20/12/2013 Angela Bollella

RISOLUZIONE SULLA DIREZIONE DELL’ELETTRONE COMPTON Deviazione angolare scattering multiplo Risoluzione sul coefficiente angolare 1° piano attraversato: fit di Kalman -> fit lineare del chi quadro indipendentemente alle misure nel piano X e Y. -> A partire dai valori dei parametri della traccia ottenuti tramite il chi quadro, si passa al secondo algoritmo utilizzato per il tracciamento: il Kalman Filter. A titolo di esempio, riportiamo due risultati relativi ai parametri della traccia dell’elettrone Compton ottenuti da una sorgente con apertura angolare di 15 gradi. Nella figura a sinistra è rappresentata la deviazione angolare dovuta allo scattering multiplo dell’elettrone Compton per il primo piano attraversato con RMS = 7 gradi; questo valore aumenta con il numero dei piani fino a un RMS = 11 gradi nell’ultimo piano. Nella figura a destra è mostrata la risoluzione sul coefficiente angolare dal fit di Kalman per l’elettrone Compton con un RMS = 0.28 compatibile con i 12 gradi che ci aspettiamo dallo scattering multiplo. Il fit è eseguito con due Gaussiane. -> N_RECO è il numero di tracce ricostruite con almeno tre depositi nei piani scintillanti con coefficiente angolare per la traccia compatibile entro un intervallo di 3 sigma con quello degli eventi Compton generati dal Monte Carlo; N_VERE indica le tracce degli eventi Compton Monte Carlo con almeno tre depositi nei piani. EFFICIENZA DI TRACCIAMENTO Frazione di eventi in cui la traccia ricostruita è compatibile con quella dell’elettrone Compton 20/12/2013 Angela Bollella

Generazione FOTONI OTTICI dal fotocatodo 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 20/12/2013 Angela Bollella

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 σcorr = (0.062 ± 0.001) cm 20/12/2013 Angela Bollella

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

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 ->DISCORSO FATTO CON VINCENZO Valori con sorgente che spara a 15 gradi. Con l’aumentare dello spessore dei piani di scintillatore plastico l’accettanza aumenta e l’efficienza di rivelazione nel LYSO diminuisce e, considerando il loro prodotto, si ha un risultato ottimale per lo spessore di 2 mm pari a accettanza. Per l’accettanza, il valore risulta circa 20% come conseguenza della cinematica dell’effetto Compton e della richiesta di avere almeno tre piani del tracciatore attraversati dall’elettrone; al contrario, per l’efficienza si ha un valore circa 65% poiché il fotone in molti casi attraversa uno spessore inferiore alla lunghezza longitudinale del cristallo di 3 cm, corrispondente a una lunghezza di radiazione pari a X0 = 1.10 cm e quindi ad una probabilità di interagire pari a e(3/X0). Valori con sorgente che spara a 15 gradi. Si nota che con l’aumentare dello spessore dei piani scintillanti l’accettanza aumenta e l’efficienza di rivelazione diminuisce. L’accettanza è circa il 90% poiché vengono selezionati eventi da Monte Carlo con almeno tre piani in cui c’è un qualsiasi rilascio di energia; mentre per l’efficienza di rivelazione si ha circa 7% il che implica una minima contaminazione degli elettroni nello spettro dei depositi del fotone Compton nel LYSO. Nella Tabella sono riportati i valori ottenuti nel caso di una sorgente con apertura angolare di 15 per diversi spessori dei piani. Si ottiene un valore per l’efficienza di rivelazione di circa 80% conferma del fatto che la maggior parte degli elettroni Compton è contenuta nello scintillatore plastico e, di conseguenza, non influisce sulla distribuzione spaziale dell’energia rilasciata nel cristallo di 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 20/12/2013 Angela Bollella

Ricostruzione fotone primario Direzione fotone Compton al LYSO dal fit Gaussiano bidimensionale Direzione elettrone Compton nel tracciatore dal fit di Kalman c1MC = 0.538 ± 0.005 20/12/2013 Angela Bollella

OTTIMIZZAZIONE DELLO SPESSORE DEI PIANI DI FIBRE RISOLUZIONE SPAZIALE DEL FOTONE PRIMARIO Proiezione di 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 risoluzione complessiva fotoni Compton ricostruiti Risoluzione spaziale migliore per i piani di scintillatore plastico con spessore 1 mm e 2 mm 20/12/2013 Angela Bollella

Statistica riscalata a un trattamento tipico di adroterapia 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 = (1.00 ± 0.014) mm xRECO – xvera (mm) Statistica riscalata a un trattamento tipico di adroterapia Risoluzione spaziale σ = (2.21 ± 0.031) mm 20/12/2013 Angela Bollella

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 20/12/2013 Angela Bollella