Alcune attivita’di ricerca in Fisica Medica presso l’Universita’ di Torino

1. Alcune attivita’di ricerca in Fisica Medica presso l’Universita’ di Torino Flavio Marchetto INFN Torino 17/9/2004

2. Introduzione alla radiazioni ionizzanti: • cenni storici • grandezze fisiche 2. Effetti biologici della radiazione 3. Radiazione ionizzante naturale e artificiale 4. Uso delle radiazioni per il trattamento radioterapeutico 5. Trattamento conformazionale e adroterapia 6. Rivelatori per la misura delle radiazioni ionizzanti

3. I pionieri W.K Roetgen scopre i raggi X A.H. Becquerel scopre la radioattivita’ : “radiazione invisibile emessa da sostanze fosforescenti” ( sali d’uranio)

4. 1898 Pierre e Marie Curie scoprono il polonio e il radio

5. La natura della radioattivita’ 1899 E. Rutherford studia le proprieta’ delle radiazioni ionizzanti emesse dall’uranio: a, b, g Ipotesi: il decadimento radioattivo implica la trasmutazione da un elemento chimico ad un altro

6. Esempi : ( notazione ZNA) 1) decadimento a: 92U238 -> 90 Th234 + 2He4 ( He e' detto a) Il numero di nucleoni prima e dopo il decadimento non cambia 238 ( prima dell'urto ) = 234 + 4 (dopo l'urto) 2) decadimento b: 90 Th234 -> 91Pa234 + e- ( lo e- e' detto b-) Anche in questo caso il numero totale di nucleoni non cambia ma un neutrone del Torio e' decaduto in un protone + elettrone + neutrino 3) decadimento g: 91Pa234 -> 91Pa234+ g (g e' una radiazione elettromagnetica)

7. Tutti i radionuclidi sono raggruppati in famiglie di elementi che decadono fino ad un isotopo stabile del Pb con legge esponenziale: N(t) = N0 e-lt essendo t = 1/l la vita media L’attivita’di una sorgente e’ definita dal numero di disintegrazioni nell’unita’di tempo.

8. Si definiscono le seguenti grandezze: 1) unita' di attivita' : Becquerel : 1 Bq = 1 disintegrazione/s oppure Curie: 1 Ci = 3.7x1010 disintegrazioni/s 2) unita' di Dose assorbita: Gray(Gy) che misura l'energia E assorbita da un corpo di massa M -> D = E/M 1 Gy = 1 Joule/kg = 6.24 x 1015 keV/kg 3) unita' di Dose equivalente (di danno biologico) : sievert (Sv) Dose equivalente = Dose assorbita × w Sv = Gy × w -> 1 Sv = 1 Gy se w = 1 ove w dipende dal tipo di radiazione : w=1 per b (elettroni), g(fotoni) e muoni; w = 20 per a.

9. Effetti biologici della radiazione L’eccitazione e la ionizzazione delle molecole del tessuto inducono un danno cellulare • danno diretto al DNA dovuto alla rottura dei legami molecolari • danno indiretto dovuto alla ionizzazione di molecole di H2O con creazione di radicali liberi che attaccano chimicamente le cellule

10. Radiazione ionizzante naturale e artificiale Oltre alla radioattivita' naturale, si e' soggetti alla radiazione dovuta alle 'attivita' umane': ·radiografie; ·TAC; ·trattamenti radioterapeutici; ·emissione di centrali nucleari (in prima approssimazione, non in Italia).

11. Dose totale annuale 2.2 mSv 87% naturale 13% artificiale

12. Confronto dei valori dovuti alla radioattivita' naturale che va da 0.4 a 4 mSv/anno (con punte in certe regioni del mondo a 50 mSv/anno) con alcune sorgenti di radioattivita' artificiale [ per irraggiamento con fotoni o elettroni 1Gy = 1 Sv poiche’ w = 1] 1) Radiografia al torace: Dose equivalente = 1 mSv (equivalente a circa 2 anni di radioattivita' naturale.) 2) TAC: Dose equivalente 10 mSv (equivalente a circa 20 anni di radioattivita' naturale.) 3) trattamento radioterapeutico (trattamento per i tumori): Dose equivalente 50 Sv (tutte le cellule del bersaglio sono distrutte.)

13. Uso delle radiazioni per il trattamento radioterapeutico Esaminiamo ora le apparecchiature e i rivelatori che stanno attorno ai trattamenti radioterapeutici: • acceleratori di particelle • ciclotroni • linac • sincrotrone • rivelatori per la misura della dose

14. Terapia dei tumori con radiazioni 100 % of tumor patients Treatment available 45 % Treatment non available 55 % 10 % 90 % Systemic treatments (chemotherapy, etc) 5 % Local treatments (surgery, radiotherapy) 40 % 56 % 44 % 40 % of total With radiotherapy 18 % Surgery alone 22 %

15. ciclotrone F = q E F = q v B ove E  campo elettrico e B  campo magnetico

16. Linac 300 MHz Sorgente di protoni o di ioni carbonio Linac per elettroni a Frascati-INFN: 3 GHz

17. Cavità a RF: 1- 5 MHz 25 m ADONE a Frascati - 1969 sincrotrone

18. e- X on target 270 bending magnet Flattening filters 3 GHz Electron linac Ion chambers Multileaf collimator Maximum dose rate: ~ 5 Gy/min target I radioterapisti usano un solo tipo di acceleratore: linac per elettroni

19. Testata rotante, collimatore multilamellare esistema piani di trattamento (TPS)

20. Piano di trattamento (TPS) e’ l’insieme di operazioni della macchina acceleratrice per ottenere la dose prescritta dal medico nel volume da trattare. Quindi il TPS definisce l’angolo da cui si irraggia il paziente e la forma

21. elettrone “e” Gli “adroni” sono fatti di quark atomo ione carbonio = 6 protoni + 6 neutroni protone o neutrone quark “u” o “d” Trattamento terapeutico d’avanguardia prevede l’uso di adroni Cosa sono gli adroni?

22. 200 MeV protons 4700 MeV Carbon Spread Out Bragg Peak • Distribuzione della perdita di energia in funzione della profondita’ per • elettroni • raggi X • protoni e ioni Carbonio picco di Bragg profondita’ del picco e’ funzione della energia dell’adrone (PSI – Villigen)

23. raggi X protoni Rapid fall-off Vantaggio macroscopico dell’ adroterapia

24. 9 fasci X 1 fascio di protoni tumore tra gli occhi I protoni sono piu’ precisi dei raggi X: esempio

25. 4 3 2 1 RBE 1 10 100 LET 10 – 20 keV/mm = 100 – 200 MeV/cm = 20 – 40 eV/(2 nm) Vantaggio microscopicodegli ioni carbonio

26. Beam delivery system Passive system Active system

27. Rivelatori per la misura della dose in funzione della posizione (x,y) e del tempo: • granularita’ sufficiente per determinare la forma esatta del fascio • velocita’ di reazione adeguata per poter bloccare il trattamento se il sistema di trattamento non segue le specifiche richieste dal piano di trattamento camera a ionizzazione

28. Principio della camera a ionizzazione: anodo catodo - - particella carica + -V +V si raccoglie una corrente proporzionale al numero di particelle cariche che attraversano la camera nell’unita’ di tempo

32. Pixel chamber Produced by INFN Torino Parallel plate ionization chamber Anode segmented in 1024 pixels Pixel dimension = 7.5  7.5 mm2 Sensitive area = 24  24 cm2 25 μm kapton + 20 μm copper Digital output (16 bit) 1024 independent electr. channels Readout time = N. of Pixel  100 ns No dead time Tested 2 times at GSI on therapeuticalbeam

34. 64 channels • digital output (16 bit) • sensitivity between 100 and 800 fC • max frequency = 5 MHz • readout frequency = 10 MHz • no dead time Front-end electronics TERA05 VLSI chip designed by INFN Torino

35. The chip has been produced and is used by IBA and Wellhofer/Scanditronix Collaboration (INFN To) Research Industry

36. Collaboration (INFN To) CATANA Project Laboratori Nazionali del Sud INFN Catania • Strip detectors and • electronics • to monitor (x and y): • beam position • symmetry

37. Test at GSI - results • E = 200.3 MeV/u • Intensity = 2108 ions/spill • Uniform dose on 12×12 cm2 • FWHM = 7.1 mm σ = 0.8 %

38. GSI test - results Spatial resolution  < 0.2 mm

39. 2D dose verification Pixel chamber for photon

40. CNAO Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica

41. CNAO building

42. The accelerator