OMOGENEITA’ IN UN FASCIO DI PROTONI TERAPEUTICO STUDIO E REALIZZAZIONE DEL SISTEMA DI DIFFUSIONE PER IL FASCIO DI PROTONI DA 62 AMeV DELLA FACILITY CATANA Cirrone G.A.P.† ° , Cuttone G.†, Lo Nigro S.°, Raffaele L. †, Sabini M.G. °†, Romeo N. †, Salamone V. † ° † INFN-Laboratori Nazionali del Sud, Via S. Sofia, 44, 95123 Catania (Italia) ° Dipartimento di Fisica ed Astronomia Università di Catania, Corso Italia 57, 95100 Catania (Italia)

II Congresso nazionale AIFM, Brescia 12 - 16 Giugno 2001 PROGETTO CATANA Trattamento dei tumori oculari con fasci di protoni da 62 AMeV dal Ciclotrone Superconduttore dei Laboratori Nazionali del Sud di Catania Laboratori Nazionali del Sud - INFN Dipartimento di Fisica Università di Catania Istituto di Radiologia Università di Catania Istituto di Oftalmologia Università di Catania

Proprietà favorevoli dei fasci di protoni rispetto alle radiazioni convenzionali: Alta localizzazione della dose Minimi valori della penombra laterale Minimi valori del distal fall-off II Congresso nazionale AIFM, Brescia 12 - 16 Giugno 2001 Irraggiamento uniforme della zona tumorale con massimo risparmio dei tessuti sani e delle strutture critiche circostanti

Trasporto e formazione di un fascio terapeutico di protoni II Congresso nazionale AIFM, Brescia 12 - 16 Giugno 2001 Trasporto e formazione di un fascio terapeutico di protoni Ottimizzazione delle proprieta’ dosimetriche del fascio in funzione degli elementi della linea con tecniche Montecarlo Valutazione dei risultati sperimentali, relativamente ai profili trasversali di dose, in termini di omogeneità, penombra, simmetria

Requisiti fondamentali nello sviluppo di una linea di protonterapia: II Congresso nazionale AIFM, Brescia 12 - 16 Giugno 2001 TRASPORTO E FORMAZIONE DI UN FASCIO TERAPEUTICO Requisiti fondamentali nello sviluppo di una linea di protonterapia: ENERGIA Sufficiente a raggiungere la profondità del tumore (~ 30 mm di “eye tissue”) N.ro pazienti OMOGENEITA’ In termini di distribuzione laterale della dose che deve essere tale da permettere l’irraggiamento uniforme e selettivo del volume da trattare L’obiettivo è ottenere un campo capace di irraggiare l’intera zona tumorale con una dose uniforme entro il  2.5% e valori di penombra compresi tra 1mm e 1.5 mm

Elementi principali di una facility di protonterapia: II Congresso nazionale AIFM, Brescia 12 - 16 Giugno 2001 TRASPORTO E FORMAZIONE DI UN FASCIO TERAPEUTICO Elementi principali di una facility di protonterapia: Elementi magnetici che indirizzano e focalizzano il fascio dall’acceleratore alla sala di trattamento:  80 metri nel nostro caso (Linea di Fascio) Laboratori Nazionali del Sud di Catania

TRASPORTO E FORMAZIONE DI UN FASCIO TERAPEUTICO II Congresso nazionale AIFM, Brescia 12 - 16 Giugno 2001 TRASPORTO E FORMAZIONE DI UN FASCIO TERAPEUTICO Elementi posti in aria nel tratto finale della linea di fascio che ne determinano le caratteristiche terapeutiche e ne assicurano il monitoraggio (Linea di Trattamento) 1° Diffusore 3000 mm 2° Diffusore + stopper Collimatore,  = 35 mm Modulatore Range shifter Camere Monitor + camera 4 settori Collimatore finale Isocentro 300 mm 85 mm

Sedia per il posizionamento del paziente II Congresso nazionale AIFM, Brescia 12 - 16 Giugno 2001 Asse del fascio Sedia per il posizionamento del paziente

II Congresso nazionale AIFM, Brescia 12 - 16 Giugno 2001 SISTEMI DI DIFFUSIONE Il fascio di protoni giunge all’interno della sala di trattamento con un diametro relativamente piccolo: Deve essere allargato lateralmente, nella direzione perpendicolare al suo asse centrale Singolo diffusore Doppio diffusore Metodi di diffusione: Passivi Attivi Doppio diffusore con stopper centrale Doppio diffusore con annulus Diffusori a doppio materiale

II Congresso nazionale AIFM, Brescia 12 - 16 Giugno 2001 SISTEMI DI DIFFUSIONE: FORMULA MOLIERE PER UN DIFFUSORE DI TIPO PASSIVO Tutti i sistemi passivi sono basati sui processi di diffusione multipla coulombiana che le particelle cariche subiscono quando incidono su un materiale: esse si distribuiscono gaussianamente con deviazione standard 0   Fascio incidente Parametrizzazione di Higland (NIM 129 1979) Formula di Molìere (Z. Naturforsch. A 10 1955)

PROGETTAZIONE DEL SISTEMA DI DIFFUSIONE CON METODI MONTE CARLO II Congresso nazionale AIFM, Brescia 12 - 16 Giugno 2001 PROGETTAZIONE DEL SISTEMA DI DIFFUSIONE CON METODI MONTE CARLO CONFIGURAZIONI STUDIATE SINGOLO DIFFUSORE 300 m Tantalio DOPPIO DIFFUSORE 80 m + 20 m Tantalio DOPPIO DIFFUSORE CON STOPPER CENTRALE 15 m + 25 m + stopper di rame

RISULTATO SIMULAZIONI II Congresso nazionale AIFM, Brescia 12 - 16 Giugno 2001 RISULTATO SIMULAZIONI 1° Diffusore 2° Diffusore

CONFRONTO SIMULAZIONE RISULTATI SPERIMENTALI II Congresso nazionale AIFM, Brescia 12 - 16 Giugno 2001 CONFRONTO SIMULAZIONE RISULTATI SPERIMENTALI Diodi al silicio Film Radiografici Film Radiocromici TLD Profilo sperimentale di un fascio di protoni da 62 AMeV non modulato ottenuto con un rivelatore al silicio per protoni ad alta risoluzione posto in aria e all’isocentro

VALUTAZIONE DELL’OMOGENEITA’ NELLE CONDIZIONI TERAPEUTICHE II Congresso nazionale AIFM, Brescia 12 - 16 Giugno 2001 VALUTAZIONE DELL’OMOGENEITA’ NELLE CONDIZIONI TERAPEUTICHE Per una valutazione dosimetrica della omogeneità va considerato che ogni elemento della linea con cui il fascio interagisce può modificare la distribuzione dei profili trasversali di dose Fascio non modulato all’isocentro COLLIMATORE: Φ = 25 mm RIVELATORE: diodo al silicio

VALUTAZIONE DELL’OMOGENEITA’ NELLE CONDIZIONI TERAPEUTICHE II Congresso nazionale AIFM, Brescia 12 - 16 Giugno 2001 VALUTAZIONE DELL’OMOGENEITA’ NELLE CONDIZIONI TERAPEUTICHE Per una valutazione dosimetrica della omogeneità va considerato che ogni elemento della linea con cui il fascio interagisce può modificare la distribuzione dei profili trasversali di dose Fascio non modulato all’isocentro Fascio modulato all’isocentro COLLIMATORE: Φ = 25 mm RIVELATORE: diodo al silicio

VALUTAZIONE DELL’OMOGENEITA’ NELLE CONDIZIONI TERAPEUTICHE II Congresso nazionale AIFM, Brescia 12 - 16 Giugno 2001 VALUTAZIONE DELL’OMOGENEITA’ NELLE CONDIZIONI TERAPEUTICHE Per una valutazione dosimetrica della omogeneità va considerato che ogni elemento della linea con cui il fascio interagisce può modificare la distribuzione dei profili trasversali di dose Fascio non modulato all’isocentro Fascio modulato all’isocentro Fascio modulato al centro del SOBP COLLIMATORE: Φ = 25 mm RIVELATORE: diodo al silicio

FASCIO NON MODULATO “FULL ENERGY”, 62 AMeV,  = 25mm II Congresso nazionale AIFM, Brescia 12 - 16 Giugno 2001 CONCLUSIONI FASCIO NON MODULATO “FULL ENERGY”, 62 AMeV,  = 25mm FASCIO MODULATO AL CENTRO DELLO SOBP,  = 25mm