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Laurea Magistrale in Fisica Ottimizzazione del disegno di un dosimetro per trattamenti adroterapeutici Angela Bollella Relatore : Riccardo Faccini Correlatore : Cecilia Voena 20 Dicembre 2013. SOMMARIO. ADROTERAPIA PROGETTO DI RICERCA Il dosimetro

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Presentation Transcript


Laurea magistrale in fisica

LaureaMagistrale in Fisica

Ottimizzazione del disegno di un dosimetro per trattamentiadroterapeutici

Angela Bollella

Relatore: Riccardo FacciniCorrelatore: Cecilia Voena

20 Dicembre 2013


Sommario

SOMMARIO

  • ADROTERAPIA

  • PROGETTO DI RICERCA

    • Il dosimetro

  • OTTIMIZZAZIONE DEL DISEGNO DEL DOSIMETRO:

    • Ricostruzionecomponenteneutra del flussosecondarioproveniente dal paziente

  • CONCLUSIONI

Angela Bollella


Laurea magistrale in fisica

ADROTERAPIA

Trattamento di tumori con fasci di adroni (ioni leggeri e protoni)

Picco di Bragg

  • Rispettoallaradioterapia (fotoni)

  • Maggiorrilascio di energiasul volume tumorale

  • Minoridanniaitessutisanicircostantiiltumore

DOSE ASSORBITA

Angela Bollella


Laurea magistrale in fisica

PROGETTO DI RICERCA

Realizzazione di un dosimetroper trattamentiadroterapeutici

OBIETTIVO

Ricostruire la distribuzionespaziale del rilascio di dose con unarisoluzionemillimetricaduranteiltrattamento del paziente

FASCIO DI IONI CARBONIO

COMPONENTE CARICA

(trattamentodose2 Gy)

COMPONENTE NEUTRA

Interazione con iltessutobersaglio

Fotoni prompt da diseccitazionenucleare

Angela Bollella


Laurea magistrale in fisica

Dosimetria

MISURA ENERGIA RILASCIATA DALLA RADIAZIONE NELLA MATERIA

FOTONI

PARTICELLE CARICHE

Interazionicoulombianecon gliatomi del materialeattraversato

Controllodella dose dai parametri del fascio terapeutico

Sistemadi monitoraggio in tempo reale del deposito di dose

Angela Bollella


Laurea magistrale in fisica

Il dosimetro

DIFFUSIONE COMPTON

CRISTALLO DI LYSO

FOTONI

20 x 20 x 2 cm3Letturacon 16 fotomoltiplicatorimultianodoHamamatsu H8500

X,Y

Z

SCINTILLATORE PLASTICO

TRACCIATORE

ELETTRONI

20 x 20 x 1.5 cm3e distanza 2 cm

dall’ultimopiano di fibre. Lettura con fibre wavelengthshifteredue SiPM

ELETTRONI

6 pianifibre 500 μm(X,Y) a intervalli di 2cm Area 19.2 x 19.2cm2Lettura a gruppi di due con SiPM 1 mm2

Angela Bollella


Laurea magistrale in fisica

Simulazione MONTE CARLO

Simulazionedellegrandezzecaratteristiche di un sistema di particelle per estrapolare le proprietàfisiche del sistemastesso

Sorgente di emissionepuntiforme a cono (aperturaangolare circa accettanzadel rivelatore) a 30 cm dal rivelatore

Spettro di energia (MeV) deifotoni prompt

  • SELEZIONE EVENTI COMPTON

  • Elettroni con almenotrepiani del tracciatoreattraversati

  • Fotonidiffusi al LYSO

C.Agodi, F.Belliniet al. Precise measurement of prompt photon emission for carbon ion therapy,

JINST 7 P0301 (2012)

Angela Bollella


Laurea magistrale in fisica

OTTIMIZZAZIONE DEL DISEGNO DEL DOSIMETRO

  • 6 PIANI DI SCINTILLATORE PLASTICO 10 x 10 cm2(X,Y) a intervallidi 0.95 cm Spessori0.5 mm, 1 mm e 2 mm

  • SCINTILLATORE PLASTICO 10 x 10 x 1.5 cm3

    • CRISTALLO DI LYSO 10 x 10 x 3 cm3

  • Risoluzione delle fibredistribuzionesimulata di σ=300 μm

  • TRACCIAMENTO ELETTRONE COMPTON

  • Segmenti di traccia:coppiedeirilascienergetici in pianiscintillantiadiacenti

  • Rilascio del piano successivodeveminimizzare la distanzatra la posizionepredettae quelladel rilascio

  • Kalman filter

Angela Bollella


Laurea magistrale in fisica

RISOLUZIONE SULLA DIREZIONE DELL’ELETTRONE COMPTON

Risoluzionesulcoefficienteangolare

Deviazioneangolarescattering multiplo

1° piano attraversato:

fit di Kalman

EFFICIENZA DI TRACCIAMENTO

Frazione di eventi in cui la tracciaricostruitaècompatibile con quelladell’elettrone Compton

Angela Bollella


Laurea magistrale in fisica

  • TRACCIAMENTO FOTONE COMPTON

  • Si considera la congiungenteilpunto di intersezionedellatracciadell’elettrone Compton con il piano del LYSO a z=zLYSO

  • Si misura la distanzatrailpunto di intersezione e le coordinate del rilascioenergeticonel LYSO

GenerazioneFOTONI OTTICI dal fotocatodo

  • Distibuzionespazialedeirilascienergeticitramiteregistrazionecon fotomoltiplicatorimultianodo

Angela Bollella


Laurea magistrale in fisica

RISOLUZIONE SULLA DIREZIONE DEL FOTONE COMPTON

COORDINATARECO(fit Gaussianobidimensionale) - COORDINATAVERA(Monte Carlo)

Risoluzionespazialecoordinata y (cm)

Risoluzionespazialecoordinata x (cm)

σcorr= (0.060 ± 0.010) cm

σcorr= (0.062 ± 0.001) cm

Angela Bollella


Laurea magistrale in fisica

RISOLUZIONE SULLA DIREZIONE DEL FOTONE COMPTON

Dipendenzaσxdallaprofondità di interazionedeifotoniCompton nel LYSO

Risoluzionespazialecoordinata Z (cm)

A, Bcostanti del fit Gaussianobidimensionale

σcorr= (0.124 ± 0.002) cm

Angela Bollella


Laurea magistrale in fisica

OTTIMIZZAZIONE PER LA RICOSTRUZIONE DEI FOTONI COMPTON

Distribuzione dei depositi energetici fotoni e elettroni (MeV) nel LYSO

Scintillatoreplasticodavanti al LYSO

ASSORBITORE DEGLI ELETTRONI

  • Ridurrefenomenodi back scattering

  • Minimizzarerilascidi energianelLYSO

EFFICIENZA DI RIVELAZIONE NELLO SCINTILLATORE PLASTICO

Numero di elettroni Compton cherilascianoenergianelloscintillatoreplasticorispettoa quellivalutati con l’algoritmo di ricostruzione

Angela Bollella


Laurea magistrale in fisica

Ricostruzionefotoneprimario

Direzionefotone Compton al LYSO dal fit Gaussianobidimensionale

Direzione elettrone Compton neltracciatore dal fit di Kalman

c1MC= 0.538 ± 0.005

Angela Bollella


Laurea magistrale in fisica

OTTIMIZZAZIONE DELLO SPESSORE DEI PIANI DI FIBRE

RISOLUZIONE SPAZIALE DEL FOTONE PRIMARIO

Proiezionedi sulpiano ortogonaleall’asse z dove èposta la sorgente

xproj= xRECO - xVERAfit Gaussianoσ=risoluzione

Sorgentepuntiforme a cono

Eventiselezionati:selezioneeventi Compton

risoluzionecomplessivafotoniCompton ricostruiti

Risoluzione spaziale migliore per i piani di scintillatore plastico con spessore 1 mm e 2 mm

Angela Bollella


Laurea magistrale in fisica

RISOLUZIONE SPAZIALE DEL FOTONE PRIMARIO Piano di scintillatoreplastico con spessore 2 mm

Distribuzionexproj= xRECO - xVERA

RISOLUZIONE SUL SINGOLO FOTONE PRIMARIO

σ= (80.99 ± 1.15) mm

RISOLUZIONE COMPLESSIVA DEI FOTONI COMPTON RICOSTRUITI

= (1.00 ± 0.014) mm

xRECO – xvera(mm)

Statisticariscalata a un trattamentotipico di adroterapia

Risoluzionespazialeσ= (2.21 ± 0.031) mm

Angela Bollella


Conclusioni

CONCLUSIONI

  • OBIETTIVI RAGGIUNTI

    • Miglioramenti sulla configurazione del disegno del dosimetro:

      • Necessità di uno scintillatore plastico davanti al LYSO come assorbitore di elettroni Compton

      • Ottimizzazionedellospessoredeipiani di fibre: risoluzione spaziale σ = (2.21 ± 0.031) mmcon statisticariscalata a un trattamentotipico di adroterapia

  • PROSSIMI STUDI DI OTTIMIZZAZIONE DEL DOSIMETRO

    • Implementareaspettirealistici del rivelatore(es. efficienzadellefibre)

    • Studio coppiedall’interazione del fotoneprimarionelrivelatore

    • Studio componentecaricadel flussosecondario

Angela Bollella


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