Neutron dOsimetry and Radiation quality Measurements by Epr and Tl (NORMET) Durata proposta: 3 anni (2012-2014) Sezioni: Catania (M. Marrale) Padova (M. Brustolon) Pavia (A. Buttafava) Responsabile nazionale: Maurizio Marrale (CT) Scopo della ricerca: Implementazione di metodologie EPR e TL per la caratterizzazione delle varie componenti di campi misti in NCT

Neutron Capture Therapy (NCT) Somministrazione farmaco con 10B o 157Gd Irraggiamento con neutroni Reazione nucleare B B Cellula tumorale

Interesse Gruppo V INFN per NCT TAORMINA (Trattamento Avanzato ORgani Mediante Irraggiamento Neutronico e Autotrapianto) WIDEST (WIDE Spread Tumours bnct) iniziato nel 2005 ha lo scopo di studiare la fattibilità del trattamento BNCT dei tumori polmonari. NEUDOS si pone l’obiettivo di sviluppare dosimetri gel tridimensionali, con capacità cioè di dare informazioni tridimensionali di dose assorbita per fasci neutronici sia in aria sia in fantoccio. SPES-BNCT NOE (NCT di organi espiantati) PHONES (PHOto NEutron Source) …etc.

Obiettivi del progetto Nuovi dosimetri Implementazione di metodologie di analisi

Obiettivo (1): Implementazione di un sistema dosimetrico EPR e TL in grado di fornire informazioni sulle varie componenti di campi misti di radiazione solitamente utilizzate in NCT. Implementazione un sistema dosimetrico per EPR che permetta di caratterizzare un campo misto fotoni-neutroni con le seguenti caratteristiche peculiari: Elevata sensibilità Capacità di discriminazione della componente neutronica dalla componente gamma. Capacità di fornire informazioni energetiche sul campo neutronico. Confronto con studi effettuati su dosimetri a termoluminescenza

Perché EPR e TL? Possibilità di produrre dosimetri di piccole dimensioni che permettono un'elevata risoluzione spaziale nella caratterizzazione del fascio. Possibilità di effettuare dosimetria in vivo per misure della dose effettivamente rilasciata al paziente. Basso costo dei singoli dosimetri e dei film. Possibilità di riutilizzo dei campioni per dosimetria TL. Possibilità di seguire un'intero trattamento radioterapico per dosimetri EPR.

Obiettivo (1): nuovi dosimetri Abbondanza naturale I MATERIALI DOSIMETRICI ORGANICI (COMPOSTI PRINCIPALMENTE DAGLI ATOMI EVIDENZIATI IN AZZURRO) NON SONO ADATTI PER NCT A CAUSA DELLA LORO SCARSA SENSIBILITA' AI NEUTRONI. 20% NECESSITA’ DI INTRODURRE DEI SENSIBILIZZANTI. 16% 15%

Obiettivo (1): nuovi dosimetri Preparazione di dosimetri pellets e film di alanina, di tartrato di ammonio ma anche altri composti organici utili per dosimetria EPR (quali il formato di litio) con l'utilizzo di additivi ad elevata sezione d'urto per neutroni (quali 157Gd, 10B) (Sezioni CT, PV) Identificazione dei centri responsabili dei segnali osservati per una comprensione di tipo fondamentale (Sezioni PD,PV) Studio delle proprietà dosimetriche di base (stabilità del segnale, minima dose rivelabile) per fasci di fotoni e campi misti (Sezioni CT, PV)

Obiettivo (1): nuovi dosimetri Sviluppo di metodi di calcolo per la separazione dei segnali EPR radioindotti da diverse componenti in campi misti. (Sezioni CT, PD) Analisi della risposta di dosimetri a termoluminescenza (quali TLD600 e TLD700) e confronto delle loro caratteristiche dosimetriche con quelle dei dosimetri EPR. (Sezioni CT) Simulazioni Monte Carlo per la modellizzazione della risposta EPR e TL dei dosimetri (Sezioni CT)

CALIBRAZIONE A NEUTRONI TERMICI - ALANINA (50%) (50%) Gd sensitivity improvement ~ 30 Intensità EPR M. MARRALE et al. Radiat. Prot. Dosim. (2007) 10B sensitivity improvement ~ 12

Risposta in funzione della concentrazione di gadolinio Intensità EPR M. MARRALE et al. Radiat. Meas. 43, 471-475 (2008)

Obiettivo (2) Implementazione di metologie EPR per la misura della qualità della radiazione: studio della distribuzione spaziale dei radicali liberi prodotti dalle radiazioni ionizzanti. Implementazione di metodologie EPR per la microdosimetria e per lo studio della distribuzione dei radicali allo studio della formazione di radicali in dosimetri di diversa natura irraggiati con fasci di radiazioni ionizzanti

Thermal neutrons doses: ~0.05 kGy 60Co -photons Precedente esperienza gruppi di Palermo e Padova Irradiations 60Co -photons doses: 0.1, 1.0 and 5.0 kGy effective LET ~ 0.35 keV/m 19.3 MeV protons LET ~ 4.6 keV/m Thermal neutrons doses: ~0.05 kGy effective LET ~ 70 keV/m

Free radicals distributions for radiations with various LETs Obiettivo (2): implementazione di metodologie Free radicals distributions for radiations with various LETs Small local concentration of free radicals Low LET radiation electrons High LET radiation High local concentration of free radicals

Local microscopic concentration of free radicals Obiettivo (2): implementazione di metodologie Two pulses ESR echo decay analysis Local microscopic concentration of free radicals AT exposed to 5kGy of gamma photons. High LET radiations (protons and thermal neutrons) are characterized by larger ratio Cmicroscopic/Cmacroscopic values than low LET radiations. Decay (Tm phase memory time) and modulation M. Marrale, M. Brai, A. Barbon, M. Brustolon Radiat. Res. 2009

Double Electron-Electron Resonance (DEER) Obiettivo (2): implementazione di metodologie Double Electron-Electron Resonance (DEER)  pump  detection

Distance distributions of free radicals Obiettivo (2): implementazione di metodologie Distance distributions of free radicals The distance distributions for dosimeters of AT exposed to gamma photons (red curve) exposed to thermal neutrons are similar to the simulation with isotropic 3D distribution of spins. The distance distribution for dosimeters exposed to protons (blue curve) shows a peak which is related to the size of the track of these heavy charged particles. M. Marrale, M. Brai, A. Barbon, M. Brustolon Radiat. Res. 2009

Free radicals distributions assumed for simulations Obiettivo (2): implementazione di metodologie 19.3 MeV Protons 60Co -photons

Obiettivo (2): implementazione di metodologie Analisi della concentrazione locale di radicali liberi prodotti dalla radiazione ionizzante attraverso l'analisi dei decadimenti dell'eco EPR con strumentazione in regime pulsata (Sezioni PD, CT) Analisi della distribuzione delle distanze tra radicali liberi investigate attraverso la tecnica Double Electron-Electron Resonance anche in campioni di cristallo singolo (Sezioni PD, CT) Determinazione della sensibilità e dei limiti di rivelazione di queste tecniche per fasci di fotoni e campi misti (Sezioni PD, CT) Modellizzazione computazionale della distribuzione di radicali prodotti da campi misti (Sezioni PD, CT)

Anagrafica CT PD PV T.E.=5.2 T.E.=1.0 T.E.=1.4 Brai Maria 50% A. Barbon 40% A. Buttafava 70% Bartolotta Antonio 50% A. Brustolon 30% D. Dondi 50% Basile Salvatore 50% A. Zoleo 30% A. Zeffiro 20% Carlino Antonio 100% Longo Anna 100% Marrale Maurizio 70% Tomarchio Elio 50% Tranchina Luigi 50% T.E.=5.2 T.E.=1.0 T.E.=1.4 20

Preventivo di spesa 2012 (k€) Struttura interno estero consumo Materiale Invent. TOTALI CT 8 4 10 32 PD 3 2 20 28 PV 12 27 TOTAL 14 25 40 87 CONSUMO EPR (CT, PD, PV) Reagenti, spin trap, Vetreria EPR, Azoto liquido Luminescenza (CT) Reagenti e filtri preparazione campioni Portacampioni TL Reagenti per altre tecniche analitiche e spettroscopiche (gas cromatografia, HPL,etc.) (CT,PV,PD) MATERIALE INVENTARIABILE EPR (CT, PD, PV) CAVITA' DIELETTRICA EPR O SORGENTE μw (PD) CAVITA' CW-EPR (CT) ESTRUSORE PER DOSIMETRI DENTRO MATERIALI POLIMERICI 22

Preventivo di spesa globale Preventivo di spesa globale progetto: 184 keuro Capitolo Descrizione spesa 2012 2013 2014 Totale Interno Riunioni con partner progetto e congressi in Italia 14 42 Estero Partecipazioni a congressi internazionali estero 8 24 Consumo Materiale preparazione campioni EPR/TL 25 75 Materiale inventariabile Si veda la trasparenza precedente 40 87 47 181 23

Facilities di irraggiamento IRRAGGIAMENTO A GAMMA PALERMO IRRADIATORE GAMMA (UNIPA) PAVIA IRRADIATORE GAMMA (Sez. PV) IRRAGGIAMENTO A NEUTRONI PALERMO REATTORE AGN-201 (UNIPA) PAVIA REATTORE LENA (UNIPV, S. ALTIERI)

COMPOSTO ORGANICO UTILIZZATO – ALANINA Precedente esperienza gruppo di Palermo COMPOSTO ORGANICO UTILIZZATO – ALANINA SPETTRO ESR FORMULA DI STRUTTURA