Uso di un Acceleratore Lineare di protoni da 7 MeV per esperimenti di radiobiologia F.Marracino1, F.Ambrosini1, A.Ampollini1, F.Bonfigli1, M.Carpanese1, S.Libera1, R.M.Montereali1, L.Picardi1, M.Vadrucci1, C.Ronsivalle1, M.A.Vincenti1, G.Vitiello1, M.Piccinini1, M.Balduzzi2, G. Esposito3, A. Tabocchini3. (1) ENEA CR-Frascati UTAPRAD, Frascati (Rome); (2) ENEA CR-Casaccia BIORAD, (Rome); (3) Istituto Superiore di Sanità (ISS), (Rome) francesca.marracino@enea.it 1

Progetto TOP IMPLART TOP-IMPLART: Oncological Therapy with Protons – Intensity Modulated Proton Linear Accelerator for RadioTherapy Realizzare un acceleratore lineare modulare per protonterapia di energia finale 150 MeV per tumori superficiali (≤ 15 cm) e 230 MeV per lesioni profonde (≥30 cm) -Primo segmento dell'acceleratore: iniettore composto da sorgente di protoni duoplasmatron A, due acceleratori lineari, un quadrupolo a radiofrequenza B (RFQ) da 3 MeV ed un linac a tubi di drift C (DTL) che innalza l'energia del fascio fino a 7 MeV, operanti ad una frequenza di 425MHz; D tre racks contenenti l’elettronica di controllo e l’alimentazione RF. Tra l'iniettore e la sezione accelerante successiva (struttura SCDTL) è montata una linea di trasporto LEBT (Low Energy Beam Transfer): quattro quadrupoli magnetici Q1,Q2,Q3,Q4 per la focalizzazione del fascio da 7 MeV e il suo adattamento sul piano trasversale all'SCDTL. Tra la prima e la seconda coppia di quadrupoli è stato inserito un magnete di deflessione verticale, per usare sia un fascio orizzontale (magnete off) sia con fascio verticale (magnete on) a energia variabile fino a 7 MeV 2 2 2

Irraggiamento campioni biologici a bassa energia SCOPO: irraggiamento colture cellulari V79 con protoni a bassa energia (3MeV–7MeV) - Curva di sopravvivenza delle V79 irradiate con protoni - Valutare l’efficacia terapeutica dei trattamenti Condizioni operative necessarie: Dose (0,1Gy – 6Gy) Uniformità di irraggiamento (>90%) Fascio monocromatico (FHWM/Em<0,1) Porta campione: cilindro acciaio F= 13 mm Q 1 Q 2 Magnete 90° Uscita fascio dal magnete 3 3 3

Misure dosimetriche: tipi di rivelatori Basse dosi (frazioni Gy): rivelatori di tracce nucleari a stato solido CR39 per la misura dell’uniformità della fluenza (quindi, nota la perdita di energia per unità di percorso LET∞, la dose) direttamente all’uscita del magnete. Alte dosi (unità di Gy): gafchromic film HD-V2 strato sensibile è di 8µm senza substrato E< 4MeV risposta affidabile D> 5Gy EBT3 strato sensibile di 30µm su un substrato di 125µm di poliestere E> 4MeV (profondità di penetrazione del fascio superiore a 160µm) risposta affidabile D 0.1÷10 Gy 4 4 4

Misure dosimetriche: CR39 Una particella carica che attraversa un CR39 danneggia in modo permanente la sua struttura molecolare creando una traccia latente con dimensione lineare di qualche Å Trattamento chimico con basi forti (etching) per allargarla ed osservarla con il microscopio ottico per contare il numero di tracce (punti neri) in un’area nota (misura della fluenza) Densità di tracce troppo alta, no fluenza CR39 limitati a frazioni di Gy, hanno evidenziato la necessità di migliorare l’uniformità della fluenza realizzare un opportuno set up di irraggiamento 5 5 5

(dall’uscita del magnete) SET-UP irraggiamento Fascio verticale (dall’uscita del magnete) Cellule piastrate su Mylar da 52µm di spessore Terreno di coltura 6 µm 1 cm aria collimatore da 13mm Finestra uscita Kapton di 20µm scattering foil oro 2µm collimatore da 1mm Tubo acciaio da vuoto (50cm) 6 6 6

Calcoli di ottimizzazione del SET-UP Scattering foil di oro di spessore 2µm in modo da allargare uniformemente (almeno fino al 90%) il fascio in direzione trasversa. Lo spessore di 2µm è stato stabilito mediante diverse simulazioni con il codice di calcolo SRIM (Stopping and Range of Ions in Matter). Esempio simulazione: scattering foil di oro di spessore 2µm allarga il fascio con l'uniformità voluta. Energia di uscita dall'iniettore di 5.5MeV, diminuzione di energia a 4.51MeV indotta dai diversi elementi, un energy spread indotto rms di 0.0356MeV (che si somma quadraticamente allo spread iniziale) per una dimensione trasversa rms di 1.24cm che assicura l'uniformità voluta sul campione (diametro 13 mm). Distribuzione particelle Distribuzione energia Distribuzione transversa Elementi Set up 7 7 7

Misure dosimetriche preliminari: irraggiamenti gafchromic tubo da vuoto (50cm) collimatore da 1mm scattering foil oro 2µm collimatore da 13mm Kapton di 20µm: sul kapton si appoggia il film (2cmx2cm) Magnete 90° F spot=13mm E= 2 MeV (dopo Kapton e foil) LET= 16.42 KeV/µm Q= 2pC per impulso gaf HD-V2 8 8 8

Misure irraggiamento gafchromic I film gafchromic permettono di effettuare una misura di densità ottica e non di dose. Per poter determinare la dose incidente sul film, si deve realizzare una curva di calibrazione (Optical Density vs Dose): per EBT3 nella banda di energia di 4.0-7.0MeV, per HD-V2 nella banda di energia 3-4.0MeV. Tali curve si ottengono irradiando con fascio di protoni calibrato un certo numero di film a dosi note e misurando le densità ottiche mediante letture con uno scanner in trasmissione ed analisi con il software PICODOSE. Epson A3 Esempio curva di calibrazione OD=log(I0/I)vs dose 9 9 9

Misure dosimetriche: irraggiamento di rivelatori basati su Fluoruro di Litio (LiF) LiF studio delle potenzialità dei rivelatori con fasci di protoni di bassa energia: imaging e dosimetria. Cristalli e film sottili policristallini di LiF cresciuti su diversi substrati sono utilizzati come rivelatori di radiazioni ionizzanti (RI) di varia natura (elettroni, neutroni, raggi X, gamma). L'efficienza di formazione dei difetti elettronici (centri di colore) indotti da RI è maggiore nei film rispetto ai cristalli di LiF, per cui i film policristallini sono caratterizzati da una maggiore efficienza di rivelazione. F2 ed F3+ se illuminati con luce blu (450 nm) luminescono rispettivamente nel rosso (670nm) e nel verde (530 nm) Centri colore (CC) Difetti del reticolo cristallino costituiti da vacanze anioniche, singole o aggregate, occupate da uno o più elettroni. Lettura con microscopio a fluorescenza: la CCD acquisisce l’immagine degli spot irraggiati nel range verde-rosso 10 10 10

Intensità di fotoluminescenza vs Dose in cristalli e film sottili di LiF dopo irraggiamento Le immagini ottenute del fascio di protoni da 3 MeV hanno mostrato che il rivelatore di LiF possiede un'alta risoluzione spaziale (<1µm) ed è in grado di rivelare anche piccole differenze d'intensità del fascio. Studio del comportamento del LiF come dosimetro a lettura ottica: tra la dose e l'intensità di fotoluminescenza totale registrata dalla fotocamera CCD del microscopio si è ottenuta una relazione che per il cristallo di LiF è risultata lineare per dosi comprese tra 70 e 106Gy, mentre per il film (di spessore 1 µm) su vetro tra 5x103 e 5x106Gy. Profilo trasversale 11 11 11

Conclusioni e Sviluppi futuri Ottimizzazione set-up della linea verticale per irraggiamento uniforme dei campioni tramite simulazioni con SRIM Individuazione dei parametri operativi di macchina per ottimizzazione nell’estrazione del fascio verticale Calibrazione del sistema per utilizzare GAF come dosimetri Irraggiamenti su fibroblasti polmonari di Hamster cinese (V79) non adese ma libere nel terreno di coltura (no effetto gravità) Studi su effetti indiretti delle RI sulle cellule: effetto bystander, risposte biologiche osservate in cellule non irradiate quando cellule vicine sono colpite dalle radiazioni. Si ritiene che alla base di questo effetto vi sia la comunicazione spaziale tra cellule irradiate e non, attraverso il terreno di coltura. Con un fascio orizzonte le cellule si accumulerebbero sul fondo (in tal caso è necessario utilizzare porta campioni adatti a tale scopo e non commerciali) 12 12 12