E. Basile / Camera per protonterapia / SIF / Pisa / 25 Set ° Congresso Nazionale SIF Pisa, Settembre 2014 Primi test su rivelatore a gas a micro pattern per applicazioni in protonterapia Ampollini A. 3, Basile E. 1, Carloni A. 1, Carpanese M. 3,Castelluccio D.M. 2, Cisbani E. 1, Colilli S. 1, De Angelis G. 1, Frullani S. 1, Ghio F. 1, Giuliani F. 1, Gricia M. 1, Lucentini M. 1, Notaro C. 1, Picardi L. 3, Santavenere F. 1, Spurio A. 1,Vacca G. 1, Vadrucci M. 3 (1) Istituto Superiore di Sanità (ISS) - Roma -Dipartimento Tecnologie e Salute (2) ENEA - Istituto di Radioprotezione - Monte Cuccolino - Bologna (3) ENEA - Unità Tecnica Sviluppo di Applicazioni delle Radiazioni - Frascati Progetto finanziato da FILAS-Regione Lazio 1

E. Basile / Camera per protonterapia / SIF / Pisa / 25 Set 2014 Adroterapia 2 Bragg Peak La radioterapia con adroni è intrinsecamente conformazionale ed è virtualmente la tecnica radioterapica di elezione nella cura del cancro. Bragg Peak Il picco di Bragg diventa via via più ripido quando si sommano più particelle. Sommando fasci aventi diverse energie si ottiene una zona con dose uniforme, lo Spread Out Bragg Peak (SOBP) La profondità di penetrazione dipende dall’energia del fascio

E. Basile / Camera per protonterapia / SIF / Pisa / 25 Set 2014 Protonterapia con LINAC: il progetto TOP-IMPLART TOP-IMPLART (Terapia Oncologica con Protoni - Intensity Modulated Proton Linear Accelerator for Therapy): sistema innovativo basato, per la prima volta, su un acceleratore lineare; installazione prevista presso l’ospedale IFO-Regina Elena. Collaborazione: ENEA + ISS + IFO + Compagnie Private Fondi: ISS ( 2009) TOP-IMPLART (Terapia Oncologica con Protoni - Intensity Modulated Proton Linear Accelerator for Therapy): sistema innovativo basato, per la prima volta, su un acceleratore lineare; installazione prevista presso l’ospedale IFO-Regina Elena. Collaborazione: ENEA + ISS + IFO + Compagnie Private Fondi: ISS ( 2009) 7 MeV 147 MeV 47 MeV 237MeV Head-Neck Tumors Head-Neck Tumors In vitro and Animal Radiobiology In vitro and Animal Radiobiology In vitro Radiobiology In vitro Radiobiology 17 MeV Deep Tumor 3

E. Basile / Camera per protonterapia / SIF / Pisa / 25 Set 2014 Monitor del rilascio di dose requisiti e specifiche in TOP-IMPLART LINAC Il monitor del fascio deve provvedere:  Misure di posizione, profilo, direzione e intensità in real-time per ogni impulso  Informazioni di retroazione per correggere piccole deviazioni dal piano di trattamento  Shutdown automatico in caso di almeno un parametro fuori dall’intervallo di accettazione  Alta affidabilità Pulsed beam characteristics Beam monitor system specifications Energy in the range Beam cross section Beam current Average current: Pulse period Pulse frequency (fast dose repainting) MeV 1-10 mm μA 3.5 nA μs Hz Light compact chamber Good spatial resolution ( ~1/10 mm)  MPGD Wide dynamic range (10 4 at least) Good sensitivity (~100 fC) Zero dead time (or near zero) Rapid response ( < 1ms) Typical number of channels: few 100 Dedicated Electronics TOP-IMPLART LINAC scanning attivo (3+1D) in: ­ Intensità (rilascio istantaneo di dose) ­ Energia (profondità/Z) ­ Posizione trasversa (X/Y) altamente conformazionale Permette terapia altamente conformazionale  Richiesto monitor dei parametri di fascio molto accurato e a livello di singolo impulso 4

E. Basile / Camera per protonterapia / SIF / Pisa / 25 Set 2014 La camera opera in regime di ionizzazione ed ha le seguenti caratteristiche: GAP tra anodo e catodo: 2mm AREA ATTIVA di anodo e catodo: 7x7cm 2 ANODO: Al (5μm) CATODO: Kapton (50 μm) con PADs in Cu (15 μm) sul lato d’incidenza del fascio e STRIPs in Cu (15 μm) sull’altro lato  PITCH: 875 μm (versione finale  400  m)  Gap tra pad: 120 μm CANALI: 80 x 80 BIAS: 300 V WET: cm Camera a ionizzazione per il monitor del fascio TOP-IMPLART Foglio prodotto da R. De Oliveira al TS-DEM, CERN Il sistema di monitor di fascio del TOP-IMPLART è basato su una camera a ionizzazione 2D segmentata, guidata da una dedicata elettronica di front end avente logica dual range 5

E. Basile / Camera per protonterapia / SIF / Pisa / 25 Set 2014 Assemblaggio della camera e sistema finale Nessun incollaggio; o-ring per tenuta gas Elettronica di Readout 6

E. Basile / Camera per protonterapia / SIF / Pisa / 25 Set 2014 Basata su amplificatore di trans-impedenza (Carica/Tensione) con capacità di “sample and hold” in retroazione. L’amplificatore adatta automaticamente il guadagno alla quantità di carica in ingresso. Quando la tensione sulla capacità supera una soglia di riferimento viene connessa in parallelo una capacità più grande. Tale semplice logica può essere replicata L’elettronica prototipo è composta da schede di front-end a 16 canali, collegate in cascata attraverso backplane passivo Elettronica di readout con amplificatore multi-guadagno 7

E. Basile / Camera per protonterapia / SIF / Pisa / 25 Set 2014 Test sull’elettronica di readout: Performance del doppio regime 8  Range dinamico maggiore di 10 4 (da circa 2 pC a decine di nC)  Sensibilità relativa inferiore al 3% (sensibilità minima assoluta di 70 fC) Range Transition (one bit store this information) Influence of current source instability

E. Basile / Camera per protonterapia / SIF / Pisa / 25 Set 2014 Test con fascio di elettroni da 5 MeV - Configurazione - 9 Fascio di elettroni da 5 MeV Schema di messa a terra Vista Frontale: camera + elettronica Caratteristiche del fascio: Intensità: 110 pC/cm 2 frequenza impulsi:10 Hz La stabilità di fascio non è purtroppo nota con precisione

E. Basile / Camera per protonterapia / SIF / Pisa / 25 Set 2014 Fascio acceso e schermato Fascio spento Stabilità e rumore Carica integrale in X e in Y misurata con:  Fascio acceso con spesso assorbitore di Pb tra il fascio e la camera (variazione ~1%)  Fascio spento (variazione <0.5‰) Rumorosità ambientale indotta dalla radiofrequenza ragionevolmente sotto controllo Variazione ~0.5% Variazione <0.5‰ 10

E. Basile / Camera per protonterapia / SIF / Pisa / 25 Set 2014 Profilo di fascio 11 Profilo della carica raccolta in X e in Y con un collimatore di Pb da 6 mm interposto tra il fascio e la camera. L’instabilità del fascio è inclusa nell’RMS. Profili di carica in X e in Y fittati con: Gaussiana + retta (linea rossa). Profilo di fascio ben riprodotto / variazione relativa entro 0.02% Sottrazione del piedistallo non ottimizzata

E. Basile / Camera per protonterapia / SIF / Pisa / 25 Set 2014 Parametri del profilo di fascio verso Alta Tensione (HV) della camera 12 Intensità (da fit gaussiano)Posizione (da fit gaussiano) Larghezza (della gaussiana)Fondo / Costante Fondo / GradienteIntensità (somma) Punto di lavoro ῀ 300 V - Ragionevole margine di sicurezza prima della saturazione

E. Basile / Camera per protonterapia / SIF / Pisa / 25 Set 2014 Strip X-> Strip Y-> Fenditura Verticale: profilo di fascio verso posizione della fenditura ~2,5 pC/cm 2 Il fascio colpisce la zona attiva della camera in corrispondenza della fenditura verticale, dando origine al picco in x; il moto orizzontale della camera “sposta” in x il picco Px=13 mmPx=18,7 mm Px=24,3 mm Px=28 mm Px: posizione orizzontale della camera; la camera si muove orizzontalmente rispetto alla fenditura 13

E. Basile / Camera per protonterapia / SIF / Pisa / 25 Set 2014 Dipendenza dall’intensità del fascio L’intensità del fascio (~110 pC/cm 2 ) è stata variata passivamente interponendo spessori di Plexiglas tra l’uscita del fascio e la camera. La carica integrale in X (nera) e quella in Y (rossa) sono rappresentate in funzione dello spessore dei 3 pezzi di Plexiglas utilizzati. Il fit esponenziale riproduce abbastanza bene i punti sperimentali 14

E. Basile / Camera per protonterapia / SIF / Pisa / 25 Set 2014 Conclusioni e prossimi sviluppi I primi test con fascio di elettroni sul prototipo di camera del sistema di monitoraggio del rilascio di dose mostrano : o buone caratteristiche di rumore o eccellenti misure del profilo di fascio o la camera si comporta fondamentalmente come atteso rispetto all’High Voltage, con ragionevoli margini di saturazione. Si stanno effettuando ulteriori e più accurati test di caratterizzazione Nei prossimi mesi si procederà ai test e alla caratterizzazione sotto il fascio di protoni del TOP/IMPLART (fino a 17 MeV) E’ in fase di sviluppo una nuova, consolidata versione della camera e dell’elettronica (largamente basata su quanto appreso nei test presentati) 15

E. Basile / Camera per protonterapia / SIF / Pisa / 25 Set 2014 GRAZIE PER L'ATTENZIONE 16

E. Basile / Camera per protonterapia / SIF / Pisa / 25 Set Fenditura Verticale: Parametri del profilo di fascio verso posizione della fenditura Intensità (da fit gaussiano)Posizione (da fit gaussiano) Larghezza (della gaussiana)Fondo / Costante Fondo / GradienteIntensità (somma) La variazione relativa su l’ampiezza è molto più grande di 3% Guardando il profilo della slide 11 sembra che RMS<qualc he percento. Come hai valutato l’errore ?

E. Basile / Camera per protonterapia / SIF / Pisa / 25 Set 2014 Valutazione del rilascio di energia del fascio di protoni nella cameretta Possibile mismatch tra parametri protoni e specifiche di progetto della camera Limite superiore critico! Carica totale prodotta nella cameretta per impulso

E. Basile / Camera per protonterapia / SIF / Pisa / 25 Set 2014 Elettroni prodotti per protone incidente