Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Biomedica

1. Facoltà di IngegneriaCorso di Laurea in Ingegneria Biomedica Ottimizzazione di una “facility” di irraggiamento sperimentale con protoni Correlatore Relatore Dott.ssa Concetta Ronsivalle (ENEA) Prof. Vincenzo Patera Dott. Andrea Mostacci Candidato Fabrizio Ambrosini Anno Accademico 2012-2013

2. Il Progetto TOP-IMPLART Obiettivo finale: realizzazione di un centro per protonterapiaa Roma (IFO) basato su un acceleratorelineare da 230 MeV Confronto tra IMRT e IMPT • Vantaggi rispetto alle tecniche tradizionali: • Rilascio di dose in corrispondenza • del Picco di Bragg • Maggiore efficacia biologica della • radiazione (RBE) Assenza di irradiazione 7 campi con IMRT 2 campi con IMPT Picco di Bragg Migliore efficacia del trattamento protonterapico Trattati 96537 pazienti (2011) Differenza tra IMRT e IMPT

3. Il Progetto TOP-IMPLART Obiettivo finale: realizzazione di un centro per protonterapiaa Roma (IFO) basato su un acceleratorelineare da 230 MeV Nella realizzazione del LINAC sono previste due fasi: 1° fase Stanziati 11 milioni di euro in 3 anni 150 MeV + Beam Delivery ENEA - Frascati 150 MeV

4. Il Progetto TOP-IMPLART Obiettivo finale: realizzazione di un centro per protonterapiaa Roma (IFO) basato su un acceleratorelineare da 230 MeV Nella realizzazione del LINAC sono previste due fasi: 2° fase Layout definitivo presso l’ IFO di Roma 52 m 230 MeV 150 MeV IFO - Roma 230 MeV 230 MeV + Beam Delivery Tumori profondi Tumori testa-collo 16.5 m

5. Layout attuale Iniettore: l’Accsys-Hitachi PL-7 C B A D A) Sorgente B) RFQ C) DTL D) Alimentazione a RF Evoluzione del fascio nell’iniettore

6. Layout attuale Uscita linea verticale LEBT Magnete 90° Uscita linea orizzontale Q 1 Q 2 Traiettoria del fascio di protoni all’interno della LEBT Q 3 Q 4 Necessità di impiegare in sequenza un magnete focheggiante in un piano ed uno focheggiante nel piano opposto.

7. Radiobiologia a bassa energia Orizzontale: 17.5 MeV (3mm) Piccoli animali Verticale: fino a 7 MeV (0.6mm) Cellule Studi su cellule flottanti nel terreno di coltura (Linfociti) 1 Strato di cellule sovrastante Terreno di coltura Studi relativi agli effetti indiretti 2 7 MeV Strato di cellule sottostanti Fascio verticale L’effetto bystander: mediato dalla diffusione di uno o più fattori dalle cellule irradiate alle cellule non irradiate, a livello delle quali si legano a recettori citoplasmatici e/o di membrana. 17.5 MeV • Standardizzare protocolli di trattamento • Valutare l’efficacia terapeutica dei trattamenti

8. Obiettivo del Lavoro Ottimizzazione dei parametri dell’iniettore e degli elementi che compongono la linea di trasporto verticale e orizzontale ai fini della sperimentazione radiobiologica 1) Calcoli numerici del trasporto del fascio orizzontale, verticale e test sperimentali 2) Irraggiamenti: • Dosimetri CR-39 (ISS) • Rivelatori a film di LiF (UTAPRAD-MNF) Dosimetria preliminare all’irraggiamento delle V79 Indagine delle potenzialità dei rivelatori a Film di LiF per fasci di protoni a bassa energia • 3) Messa a punto di un sistema di caratterizzazione dei PMQ relativi al primo modulo • SCDTL (7÷11.6 MeV).

9. Calcoli numerici sul trasporto del fascio TRACE3D: Quadrupoli Drift Magnete

10. Calcoli numerici sul trasporto del fascio orizzontale Prima coppia di quadrupoli: … i valori dei gradienti dei quadrupoli corrispondenti alle dimensioni richieste in uscita per la spot di forma circolare: Fascio “nature” Flangia di uscita dell’iniettore Da 6.5 mm (R campioni biologici) a 2.4 mm (Rx=Ry) Flangia di uscita dell’iniettore

11. Calcoli numerici sul trasporto del fascio orizzontale I quattro quadrupoli: Da 6.5 mm (R campioni biologici) a 0.98 mm(Rx=Ry) Maggior controllo del fascio Flangia di uscita dell’iniettore Pretendendo dimensioni minori per la spot circolare…

12. Calcoli numerici sul trasporto del fascio verticale La dispersione non compensata del magnete di deflessione verticale limita la possibilità di focalizzazione nel piano verticale Flangia di uscita dell’iniettore Minima dimensione in y: R y = 26.6mm R x = 1.5mm Il magnete di deflessione verticale focalizza nel piano orizzontale Minima dimensione in x: R y = 34.7mm R x = 1mm

13. Test sperimentali Prima coppia di quadrupoli: 1) Ottimizzazione del trasporto lungo la linea verticale: Segnale da linea orizzontale Segnale da linea verticale Uscita linea verticale Uscita linea orizzontale Coincidenza tra i due segnali Q 1 Q 2 Magnete 90° Segnale di tensione proporzionale alla corrente letta con una bandierina.

14. Test sperimentali Linea orizzontale completa: quattro quadrupoli 2) Minime dimensioni spot circolare linea orizzontale: Targhetta Fluorescente Q 1 Q 2 Q 3 Q 4 Finestra terminale Videocamera Valori dei quadrupoli corrispondenti alle minime dimensioni sperimentalmente ottenute per la spot circolare: Spot del fascio vista dalla telecamera

15. Test sperimentali Linea orizzontale completa: quattro quadrupoli 3) Caratterizzazione preliminare della lente elettrostatica Q 1 Q 2 Q 3 Q 4 Faraday Cup Permetterà di variare impulso per impulso la corrente fornita in uscita dall’iniettore e quindi la dose rilasciata nel target

16. Irraggiamenti sui CR-39 … misure dosimetriche preliminari alla radiobiologia (105, 106 protoni ): Stopping and Range of Ions in Matter Dosimetri a tracce nucleari Diametro=13mm Spessore=1.5mm Traccia latente Capsula Petri Area= 0.00023cm2

17. Irraggiamenti sui CR-39 Necessità di ridurre la densità di tracce 5 impulsi 10 impulsi 20 impulsi 20 impulsi 5 impulsi 10 impulsi • Rivelatori leggibili (5-10 impulsi) • Proporzionalità (n°impulsi - dose) • Fascio più pulito • Uniformità: U(x)=60% e U(y)=80% • Sovrapposizioni delle tracce • Tracce di grosso diametro

18. Irraggiamenti sui rivelatori di LiF … studio delle potenzialità dei rivelatori a film di LiF con fasci di protoni alle basse energie: imaging e dosimetria Centri colore (CC): Difetti del reticolo cristallino costituiti da vacanze anioniche, singole o aggregate, occupate da uno o più elettroni. F2 ed F3+ luminescono nel rosso (670nm) e nel verde (530 nm) Lettura con microscopio in fluorescenza: la CCD acquisisce l’immagine degli spot irraggiati nel range verde-rosso

19. Irraggiamenti sui rivelatori di LiF Prima sessione (Q1 e Q2 e collimatore): distribuzione trasversa del fascio, linearità , SRIM 1300

20. Irraggiamenti sui rivelatori di LiF Seconda sessione: (Q1; Q2; Q3; Q4 e collimatore): studio in un ampio range di carica (5÷128000  0.29nC÷7.42μC ) Optical spectroscopy and imaging of colour centres in lithium fluoride crystals and thin films irradiated by 3 MeV proton beams M. Piccinini ENEA, C.R. Frascati, UCSTUDI, Via E. Fermi 45, 00044 Frascati (Rome) Italy F. Ambrosini, A. Ampollini, M. Carpanese, L. Picardi, C. Ronsivalle, F. Bonfigli, M.A. Vincenti and R.M. Montereali ENEA, C.R. Frascati, UTAPRAD, Via E. Fermi 45, 00044 Frascati (Rome) Italy Immagini delle spot: aumento della concentrazione dei centri F2 al crescere del numero di impulsi Segnale medio fotoluminescenza: Cristallo (1mm) 300 - 4000 8000 32000 128000 750 Film (1 μm) 450 - 32000

21. Conclusioni … Ottimizzazione dei parametri (macchina e del trasporto del fascio) Trace3D e test sperimentali: Impiego della lente unipolare Sistema lettura per basse cariche Irraggiamento CR-39: Lettura fascio verticale (5-10 impulsi): Q per impulso=1,65·10 -2pC Studio della linearità (5÷1280000.29nC÷7.42μC ) Irraggiamento LiF: “Imaging” trasversa del fascio Misura delle componenti armoniche dei PMQs PMQs: “matching” tra l’uscita dell’iniettore e la linea con i PMQ … sviluppi futuri • Realizzazione di una linea per fascio verticale per uniformità e controllo del fascio • per l’irraggiamento di cellule di tipo V79 (SSSM). • Possibilità di impiego dei rivelatori a film di LiFper dosimetriacon fasci di protoni Ad es. per leggere basse cariche: incrementare lo spessore del film e usi un substrato di Si • Spessore e substrato dei film di LiF. • Linearità estraendo le immagini relative ai singoli canali. • Trasporto del fascio di protoni da 7 MeV all’interno della linea “FODO-like” a PMQ.

22. Grazie per l’attenzione Fabrizio Ambrosini

23. Layout attuale Struttura in fase di realizzazione SCDTL PMQ 7mm PMQ: necessari per la focalizzazione del fascio 3cm

24. Caratterizzazione magnetica dei PMQ Misura del gradiente e delle componenti armoniche FFT

25. “Matching” con linea tipo “FODO lattice” a quadrupoli a magneti permanenti (PMQ) Ottenere il l’adattamento tra caratteristiche del fascio in uscita dall’iniettore e la linea FODO Ottimizzazione con TRACE3D: Ricerca dei valori di gradiente magnetico dei quadrupoli PER 1°PMQ foc. orizzontale (+) yAmax=14.8433 mm Orizzontale Verticale Longitudinale 1°PMQ foc. verticale (-) yBmax=13.472 mm

26. Target I Interruttore Irraggiamenti sui CR-39 Sistema di misura del fascio in regime di bassa carica Il valore della carica accumulata per il numero di impulsi selezionati Bandierina

27. Irraggiamenti sui rivelatori di LiF • Vantaggi: • Altissima risoluzione spaziale (lim. Sistema di lettura). • I CC nel LiF sono stabili a temperatura ambiente. • I CCnon possono essere generati dalla luce ambientale. • Possibili diverse configurazioni sperimentali in termini di spessori e substrati. • Semplicità del processo di lettura (microscopio ottico, convenzionale o confocale a fluorescenza). L'impianto, a due crogioli, dedicato alla crescita di film policristallini di LiF su diversi substrati (vetro, silicio, plastica, ecc.) e con spessori controllati (da pochi nanometri ad alcuni micron). • I substrati, opportunamente fissati sulla • piastra porta-campioni, possono essere • riscaldati a differenti temperature • (tipicamente tra 30°C e 350 °C) mediante • quattro lampade alogene infrarosso • La piastra porta-campioni è ruotante per • migliorare l'uniformità dei film di LiF. • parametri di deposizione: temperatura del • substrato durante la crescita, lo spessore • totale e la velocità di deposizione. Impianto di evaporazione termica per film di fluoruro di litio, GP20 SISTEC-Angelantoni.