STUDIO E CARATTERIZZAZIONE DI UNA SORGENTE DI PROTONI PER APPLICAZIONI DI RADIOBIOLOGIA

1. STUDIO E CARATTERIZZAZIONE DI UNA SORGENTE DI PROTONI PER APPLICAZIONI DI RADIOBIOLOGIA Facoltà di Ingegneria Civile e Industriale Corso di laurea in Ingegneria Biomedica Cattedra di Radioprotezione e Complementi di Fisica Candidato Stefano D’Orazio 1106164 Relatore Prof. Vincenzo Patera Correlatore Dott. Concetta Ronsivalle (ENEA) Dott. Andrea Mostacci A/A 2010/2011

2. Il Progetto TOP-IMPLART Obiettivo finale: realizzazione di un centro per protonterapia a Roma (IFO) basato su un acceleratore lineare da 230 MeV Intensity Modulated Radiation Therapy Intensity Modulated Proton Therapy 2 vantaggi rispetto alle tecniche tradizionali Picco di Bragg RBE Efficacia biologica massima nel picco di dose depositata Selettività spaziale

3. Descrizione del Progetto Il LINAC da 230 MeV verrà realizzato in due fasi distinte 2° FASE 1° FASE IFO-Roma ENEA-Frascati

4. Centro di Protonterapia - IFO 52 m 230 MeV 150 MeV Tumori profondi Tumori testa-collo 16,5 m Generatori a RF Stanze per il trattamento Energia del fascio proporzionale al numero di moduli di accelerazione attraversati

5. L’Iniettore Il linac si basa su un’iniettore lineare da 7 MeV: l’Accsys-Hitachi PL-7

6. Il Progetto ISPAN Obiettivo finale: realizzare un impianto di riferimento per la radiobiologia con protoni distribuzione e misurazione della dose inviata al campione Analisi radiobiologiche Irradiazione cellule V79 (1-7 MeV) Esperimenti previsti Irradiazione piccoli animali (17,5 MeV) • VALUTAZIONE EFFICACIA TERAPEUTICA • STANDARDIZZARE PROTOCOLLI DI TRATTAMENTO

7. Obiettivo del Lavoro Ottimizzare un sistema per il rilascio della dose da utilizzare per l’irraggiamento delle colture cellulari con un fascio di protoni a bassa energia (1 – 7 MeV) • Caratterizzazione del fascio all’uscita dell’iniettore: - dimensioni e divergenza Misure di emittanza e parametri di Twiss - energia Misure di range e picco di Bragg 2) Messa a punto di un sistema di rilascio di dose su campioni biologici e del sistema di misura della dose nella posizione del campione 3) Ottimizzazione del setup sperimentale in accordo con i requisiti richiesti dagli esperimenti di radiobiologia in termini di dose (0,1 Gy - 6 Gy) e uniformità di irraggiamento

8. Misure di Emittanza e parametri di Twiss ε= A/π α inclinazione β divergenza εy εy= 2,492 mm-mrad βy= 0,150 mm/mrad αy= -0,111 Ottenuti i dati sperimentali con il metodo dei minimi quadrati si ricavano i valori ottimali di emittanza e parametri di Twiss all’uscita dell’iniettore

9. Risultati Ottenuti Misure di emittanza e parametri di Twiss ricavate in diversi punti di lavoro dell’iniettore Migliori risultati ottenuti nel terzo punto di lavoro VLU= 26 kV Vextr= 26 kV

10. Misure di Range a 3 MeV range medio: distanza alla quale T=50 % T= particelle trasmesse/particelle incidenti 2 condizioni sperimentali di misura Spessore finestra di uscita dei protoni 80 µm 50 µm Strati di PVC utilizzati 1,51 MeV 2,15 MeV

11. Risultati Ottenuti

12. Confronto tra Misure e Simulazioni misure di range confrontate con i range proposti da SRIM 2011 SRIM: Stopping and Range of Ions in Matter permette di calcolare l’andamento delle traiettorie degli ioni nella materia SRIM 2011 è basato su un metodo di calcolo Montecarlo, nell’approssimazione della collisione binaria

13. Confronto tra Misure e Simulazioni

14. Il Picco di Bragg 13 strati di film gafcromico in pila irraggiati per 30 s da protoni a 7 MeV

15. Ottimizzazione della Linea di Trasporto a Valle dell’Iniettore Linea di trasporto per l’irraggiamento con fascio orizzontale Ottimizzazione eseguita con un programma di simulazione di dinamica del fascio: TRACE3D ottimizzazione Ricerca dei valori di gradiente magnetico dei quadrupoli PER Ottenere determinate dimensioni del fascio nel punto di irraggiamento

16. Ottimizzazione della Linea di Trasporto a Valle dell’Iniettore Linea di trasporto per irraggiamento con fascio verticale Magnete di deflessione produce un aumento di emittanza del fascio nel piano in cui il fascio curva Problemi a focalizzare il fascio nel piano verticale

17. Misure Preliminari di Dose Stima della dose rilasciata dal fascio di protoni Carica accumulata Dose assorbita Range in acqua Capsula di Petri

18. Dose Assorbita e Carica Accumulata Intervallo di dose per esperimenti di radiobiologia Calibrazione del fascio

19. Rappresenta la verifica della dose realmente depositata dal fascio di protoni. • Test preliminari condotti utilizzando il rilevatore a tracce nucleari CR39: • Si irraggia il rivelatore: traccia latente • Etching: la traccia latente viene resa visibile al microscopio ottico Analisi Dosimetrica Numero di particelle dN incidenti sulla superficie dS

20. Irraggiamento dei Rivelatori Condizioni di irraggiamento 0,2 pC per impulso 1) 20 impulsi di protoni, corrispondenti ad una carica accumulata pari a 4 pC Irraggiati 2 rivelatori CR39 2) 50 impulsi di protoni, corrispondenti ad una carica accumulata pari a 10 pC

21. Conclusioni… Il lavoro di tesi svolto nei laboratori dell’ENEA di Frascati ha permesso di: Misure di emittanza e parametri di Twiss Determinare le carateristiche del fascio all’uscita dell’iniettore Misure di range e picco di Bragg Ottimizzare un sistema di rilascio della dose per l’irraggiamento dei campioni cellulari Avviare l’ottimizzazione del setup sperimentale in accordo con i requisiti richiesti dagli esperimenti di radiobiologia in termini di dose (0,1 Gy - 6 Gy) e uniformità di irraggiamento

22. … e Sviluppi Futuri L’analisi dosimetrica permetterà di ricavare 1) Le condizioni sperimentali per le quali si riesce ad inviare una dose contenuta nell’intervallo richiesto 2) Una relazione di proporzionalità lineare tra numero di impulsi inviati e dose assorbita Irraggiamento campioni biologici e analisi radiobiologiche