Master and PhD theses of Physics Students on the subject of: Medical Physics Activities in the University, Hospital and Industry Cristiana Peroni – Universita’ di Torino & INFN Master and PhD theses of Physics Students on the subject of: Nuclear Medicine Radiotherapy with Photons Hadrontherapy MRI Medical Physics activities in the university, hospital and > industry" > > Abstract: Medical Physics is a lively field of research carried out by > academics and professionals in several environments ranging from > hospitals to research centers where physicists work closely with medical > doctors, engineers and managers. A selections of projects will be > presented at a non-specialist level in order to give a partial > overview of a very active field.

Physicists for Medicine physics  s  physician Dec. 28 1895 W.K.Roentgen reports about a “Eine neue Art von Strahlen” Feb. 1896 H. Bequerel reports about the emission of a “form of radiant energy” emitted by uranium 1898 M. and P. Curie discover polonium and radium 1907 E. Rutherford and F. Soddy, “The Cause and Nature of Radioactivity” Raggi catodici con tubi di Hittorf/Crooks schermo di platinocianuro di bario (fosforescenza) Societa’ Fisico-medica di Wurzburg 6 gennaio Frankfurter Zeitung Vina del Mar, 1-6-2010 C.Peroni - Torino Univ. & INFN

Early times radiation sources for medicine (therapy) 45 Diagnostica a Rx immediatamente  diagnostica con sorgenti Jan 6, 2010 C.Peroni - Torino Univ. & INFN

C.Peroni - Torino Univ. & INFN Nuclear Medicine Molecular Imaging (in vivo and in vitro) scintigraphy lung, skeleton, gallbladder… SPECT (Single Photon CT) functional brain imaging, myocardial perfusion imaging > 90% applications use 99mTc ,123I (thyroid) and more Positron Emission Tomography 18F Radiometabolic Therapy e.g.thyroid ablation with 131I , 90Y lymphoma Palliative therapy of bone methastases pain 153Sm 131 I decays with a half-life of 8.02 days to Xe The primary emissions of 131I decay are 364 keV gamma rays (81% abundance) and 606 keV beta particles (89% abundance TC 99m 6h, gamma 149 keV (Mo – Ru) Jan 6, 2010 C.Peroni - Torino Univ. & INFN

Detectors (Gamma Camera) Scintigraphy two simultaneous projections in one scan Jan 6, 2010 C.Peroni - Torino Univ. & INFN

C.Peroni - Torino Univ. & INFN Gamma (Anger) Camera Hal Anger at Berkeley from 1952 to 1958 Sviluppata da Hal Anger at Berkeley from 1952 to 1958 (NaI (Tl) Robert Hofstadter – nobel prize 1961 with Rudolf Mossbauer) Il peso viene attribuito a ciascun fotomoltiplicatore da una matrice di impedenze che attenuano progressivamente il contributo di posizione +x -x +y -y da parte dei fotomoltiplicatori più lontani rispetto al centro della camera, origine del sistema di riferimento della matrice dei resistori. Jan 6, 2010 C.Peroni - Torino Univ. & INFN

18F fluorodeoxyglucose (FDG) lutetium oxyorthosilicate [LSO] gadolinium orthosilicate [GSO]

ISTITUTO DI RADIOPROTEZIONE C.R. SALUGGIA Evaluation of in-vitro and in-vivo stability of the radiopharmaceutical [153Sm]Sm-EDTMP for biokinetics studies in bone metastases pain palliation care * Candidato: LUCA VIGNA Relatore : Prof. C. PERONI Co-Relatori: Dott. D. ARGINELLI1, Dott. S. RIDONE1, Dott. R.MATHEOUD2 Lavoro svolto presso l’ ENEA1,(Italian National Agency for New Technologies, Energy and the Environment) e l’Azienda Ospedaliera Maggiore della Carità di Novara2. * published in Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry (2009) 282:287-291 "Evaluation of in-vitro > and in-vivo stability of the radiopharmaceutical [153Sm]Sm-EDTMP for > biokinetics studies in bone metastases pain palliation care", Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry.

[153Sm]Sm-EDTMP PAZIENTI TRATTATI prostata ~37 MBq/kg mammella ~ 3 GBq (Quadramet®) Quando? metastasi scheletriche tumore primario: MAMMELLA e PROSTATA Come? Somministrazione endovenosa attività iniettata : 37 MBq/kg Effetti? < pressione interstiziale < produzione di sostanze algogene ( riduzione del dolore ) Transitoria diminuzione delle piastrine e dei globuli bianchi PAZIENTI TRATTATI prostata ~37 MBq/kg mammella ~ 3 GBq 17 pazienti Jan 6, 2010 C.Peroni - Torino Univ. & INFN

OBIETTIVI SPECIFICI del lavoro di tesi : stabilità del radiocomplesso biodistribuzione del radiofarmaco modelli biocinetici con struttura compartimentale modello dosimetrico ottimizzare la terapia radiometabolica Jan 6, 2010 C.Peroni - Torino Univ. & INFN

MATERIALI E METODI : Informazioni necessarie: Misure da effettuare: Tecnica di misura utilizzata: Strumento utilizzato: stabilità in vivo e purezza radiochimica radionuclide-molecola aliquote di campioni biologici (sangue e urina) cromatografia su strato sottile TLC Scintillatore liquido (Quantulus 1220 della WallacTM) andamento nel tempo dell’attività nella circolazione sistemica misura di attività su prelievi di sangue a tempi prestabiliti Spettrometria gamma Scintillatore inorganico (NaI(Tl)) andamento nel tempo dell’attività totale escreta attraverso la clearance renale misura di attività su minzioni spontanee del paziente Jan 6, 2010 C.Peroni - Torino Univ. & INFN

MODELLO – schema a compartimenti AP AS AT k12 k13 OSSO SANGUE ALTRO k21 l l l kel RACCOLTA URINE AE l [2] [1] Sistema di equazioni differenziali [3] [4] Jan 6, 2010 C.Peroni - Torino Univ. & INFN

MODELLO : andamento dell’attività nei compartimenti Jan 6, 2010 C.Peroni - Torino Univ. & INFN

MODELLO: applicazione Jan 6, 2010 C.Peroni - Torino Univ. & INFN

Radiotherapy with photons Most radiation treatments are delivered by Linacs (X-ray and e-) operating at 6 to 40 MV with highly elaborated beam delivery systems  high dose conformation (D = dE/dM [Gy]) 3D conformal Radiotherapy (3DCRT) Dynamic Multi-Leaf Collimator (DMLC) Main objective of radiotherapy: dose optimization which means best therapeutic ratio: maximum dose to target minimum dose to surrounding healthy tissues (organ at risk) Intensity Modulated Radiotherapy (IMRT) Jan 6, 2010 C.Peroni - Torino Univ. & INFN

C.Peroni - Torino Univ. & INFN Treatment plan The radiotherapist prescribes the amount of dose to be delivered to the target volume and the maximum dose which can be delivered to the surrounding tissues The medical physicist, using s/w programs, produces the “treatment plan” following the radiotherapist prescriptions. The dose fractionation, patient positioning, accelerator parameters are then set in order to obtain the desired dose distribution. + Jan 6, 2010 C.Peroni - Torino Univ. & INFN

C.Peroni - Torino Univ. & INFN DOSE VERIFICATION To verify correspondence between the prescribed dose to the tumor by radiotherapist and the administered dose to the patient, medical physicist performs in vivo dosimetry, i.e. absorbed dose measurements during irradiation, at points of interest on patient: treated volume (Clinical Target Volume or CTV) and/or organs at risk: normal tissues whose sensitivity to radiations can significantly affect the treatment plan and/or the total prescribed dose. Jan 6, 2010 C.Peroni - Torino Univ. & INFN

MOSFET in post-mastectomy radiotherapy treatments Università degli Studi di Torino Corso di LM in Fisica Ambientale e Biomedica presso il Complejo Hospitalario Universitario di Santiago de Compostela Progetto Leonardo Jun-Aug 2007 In vivo dosimetry with MOSFET in post-mastectomy radiotherapy treatments Francesca De Monte Premio del Presidente della Repubblica per la migliore tesi di carattere scientifico sul tema: “Le donne per le donne” - 2008

La dosimetria alla pelle durante trattamento post-mastectomia: La mastectomia è la rimozione completa del seno. La pelle è un organo da trattare (fa parte del C.T.V.). Si può ricorrere all’utilizzo di un bolus, materiale tessuto equivalente per aumentare la dose alla pelle. Dopo una T.A.C., il medico delimita: Volume d’interesse: parete toracica (C.T.V.) Organi critici: polmoni, cuore Il fisico pianifica il trattamento: somministrazione al volume d’interesse della dose prescritta dal medico e salvaguardia degli organi critici. Dosimetria in vivo MOSFET OneDose

Si ha un accumulo di carica positiva nell’ossido Dosimetria in vivo MOSFET OneDose Rivelatori MOSFET Principio di funzionamento dei rivelatori MOSFET: MOSFET: Metal – Oxide – Semiconductor Field Effect Transistor (N-MOS, P-MOS). Tensione di soglia VTH: tensione che si deve applicare tra Gate e Substrato perchè fluisca corrente tra Source e Drain. Un aumento della tensione di soglia VTH necessaria per ottenere lo stesso flusso di corrente Si ha un accumulo di carica positiva nell’ossido VTH ~ Dose

Implementazione in vivo Dosimetria in vivo MOSFET OneDose Dosimetria in vivo: QUINTA PAZIENTE Trattamento con due fasci tangenziali di fotoni: Gantry a 300°  angolo di incidenza della radiazione ~60° 1° fascio: campo 15 × 15 cm2 ; 2° fascio: campo 12 × 12 cm2 DIFFERENZA in C: ± 5.5% Applicazione MANUALE dei FC: FCfield size = 1.0309 (15×15) (incert. 2.0%) FCssd = 1.0250 (incert. 3.0%) FCfield size pesato = 1.0312 (15×15;12×12) (incert. 2.0%) FCdip.angolare, ARIA = 0.9579 (incert. 2.1%) FCdip.angolare, EQ. ELETTR. = 1.0753 (incert. 4.0%) FCdip.angolare, MEDIO = 1.0166 (incert. 3.0%) Jan 6, 2010 C.Peroni - Torino Univ. & INFN

VANTAGGI della tecnica MOSFET OneDose: Conclusioni della ricerca: VANTAGGI della tecnica MOSFET OneDose: 1) Facilità di utilizzo e nessun rischio o disagio per il paziente 2) Immediatezza della lettura e memorizzazione della dose, con data e ora 3) Dimensioni ridotte del dosimetro, minima influenza sul piano di trattamento 4) Nei 5 casi esaminati, si è rivelato affidabile per misure di dose alla pelle entro un livello di tolleranza del 5% quando la radiazione incide perpendicolarmente 5) Nelle prove in condizioni di equilibrio elettronico, si è trovata una buona accuratezza nelle misure di dose e correttezza dei FC dati dal fabbricante.

Simona Giordanengo Torino January 12 2009 Study and development of the Dose Delivery System for the National Center of Oncological Hadrontherapy (CNAO) Simona Giordanengo Torino January 12 2009

Università degli Studi di Torino Facoltà di Scienze M.F.N. Laurea Magistrale in Fisica Ambientale e Biomedica A.A. 2007-08 “Study of a new class of MRI contrast agent through phantom and in vivo relaxometric analysis” MRI optimization method for in vivo detection of atherosclerotic plaque in apolipoprotein E-null (ApoE-/-) mice Candidata: Sonia Colombo Serra Relatore: Prof.ssa Cristiana Peroni Correlatori: Dr.ssa Claudia Cabella Dr. Fabio Tedoldi

Tesi in azienda: sito e collaborazioni MR 3T MR 0.2T Presto… CT US CEIP Centro di Imaging Preclinico c/o Centro di Biotecnologie Molecolari Università degli Studi di Torino Laboratorio Università / Industria MR 7T PET

In the words of Sonia Colombo Biomedical (and not only) research needs ability in each scientific field, from chemistry to biology, to medicine, to anatomy, to physics, from computer science to engineering. A comparison that hits this concept on the nail is the one with the reconstruction technique widely used in medical imaging, for example in TC. It refers to the projection theorem that states: the geometrical reconstruction of an object can be performed through the sum of one-dimensional projections of the object itself at different angles of view. The higher the number of projections, the more precise will be the reconstruction. In biomedical research, the phenomenon examined is the object, the different ability and scientific knowledge are the angle of projection. Only a complete vision, guaranteed by a group of people with different training and scientific formation, can lead to progress in the field of study. The physicist’s eye, as that of a chemist, a biologist, a medical doctor, a mathematician, a computer scientist and as that of anyone has a scientific ability (by academic studies or professional expertise) is required to investigate and understand the phenomenon under examination. Jan 6, 2010 C.Peroni - Torino Univ. & INFN