Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Biomedica
description
Transcript of Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Biomedica
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
Obiettivo finale: realizzazione di un centro per protonterapia a Roma (IFO) basato su un acceleratore lineare da 230 MeV
Vantaggi rispetto alle tecniche tradizionali:
- Rilascio di dose in corrispondenza del Picco di Bragg
- Maggiore efficacia biologica della radiazione (RBE)
Picco di Bragg
Assenza di irradiazione
Trattati 96537 pazienti (2011)
Il Progetto TOP-IMPLART
Differenza tra IMRT e IMPT
7 campi con IMRT 2 campi con IMPTConfronto tra IMRT e IMPT
Migliore efficacia del trattamento protonterapico
Obiettivo finale: realizzazione di un centro per protonterapia a Roma (IFO) basato su un acceleratore lineare da 230 MeV
Nella realizzazione del LINAC sono previste due fasi:
1° fase
ENEA - Frascati
150 MeV
150 MeV + Beam Delivery
Il Progetto TOP-IMPLART
Stanziati 11 milioni di euro in 3 anni
Obiettivo finale: realizzazione di un centro per protonterapia a Roma (IFO) basato su un acceleratore lineare da 230 MeV
Nella realizzazione del LINAC sono previste due fasi:
2° fase
IFO - Roma230 MeV
230 MeV + Beam DeliveryTumori testa-colloTumori profondi
230 MeV 150 MeV
52 m
16.5 m
Layout definitivo presso l’ IFO di Roma
Il Progetto TOP-IMPLART
Layout attuale
A) SorgenteB) RFQC) DTLD) Alimentazione a RF
DA B
C
Iniettore: l’Accsys-Hitachi PL-7
Frequenza di lavoro 4250.1 MHzEnergia del fascio all’uscita della sorgente duoplasmatron
30 keV
Energia del fascio all’uscita dell’RFQ 3.0 MeVEnergia del fascio all’uscita del DTL 7.0 MeVCorrente massima all’uscita dell’iniettore 0.3-30 µADurata degli impulsi del fascio (FWHM) 3-7 µsVariabilità corrente tra un impulso e l’altro (pulsed)
10-100 %
Frequenza di ripetizione degli impulsi 10-200 Hz
Evoluzione del fascio nell’iniettore
Layout attualeUscita linea verticale
Q 1 Q 2
Magnete 90°
Uscita linea orizzontale
Q 3 Q 4
BqvmR
LEBT
Traiettoria del fascio di protoni all’interno della LEBT
Necessità di impiegare in sequenza un magnete focheggiante in un piano ed uno focheggiante nel
piano opposto.
Radiobiologia a bassa energia
Verticale: fino a 7 MeV (0.6mm)
Orizzontale: 17.5 MeV (3mm) Piccoli animali
Cellule
Fascio verticale
Strato di cellule sottostanti
Strato di cellule sovrastanteTerreno di coltura
1
2
Studi su cellule flottanti nel terreno di coltura (Linfociti)
Studi relativi agli effetti indiretti 7 MeV
17.5 MeV
• Standardizzare protocolli di trattamento
• Valutare l’efficacia terapeutica dei trattamenti
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.
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
3) Messa a punto di un sistema di caratterizzazione dei PMQ relativi al primo modulo SCDTL (7÷11.6 MeV).
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
Calcoli numerici sul trasporto del fascio
TRACE3D:
Drift
Magnete
Quadrupoli
Fascio “nature”
Prima coppia di quadrupoli:
G1 (T/m) 0G2 (T/m) 0
Calcoli numerici sul trasportodel fascio orizzontale
G1 (T/m) -9.860G2 (T/m) 10.683
Da 6.5 mm (R campioni biologici) a 2.4 mm (Rx=Ry)
Flangia di uscita dell’iniettore
Flangia di uscita dell’iniettore
… i valori dei gradienti dei quadrupoli corrispondenti alle dimensioni richieste in uscita per la spot di forma circolare:
I quattro quadrupoli:
Calcoli numerici sul trasportodel fascio orizzontale
G1 (T/m) -10.582G2 (T/m) 6.660G3 (T/m) -7.221G4 (T/m) 8.970
Da 6.5 mm (R campioni biologici) a 0.98 mm(Rx=Ry)
Pretendendo dimensioni minori per la spot circolare…
Maggior controllo del fascio
Flangia di uscita dell’iniettore
Calcoli numerici sul trasportodel fascio verticale
La dispersione non compensata del magnete di deflessione verticale limita la possibilità di focalizzazione nel piano verticale
Minima dimensione in y:R y = 26.6mmR x = 1.5mmIl magnete di deflessione verticale
focalizza nel piano orizzontaleMinima dimensione in x:R y = 34.7mmR x = 1mm
Flangia di uscita dell’iniettore
Test sperimentaliPrima coppia di quadrupoli: Segnale da linea
orizzontaleSegnale da linea verticale
1) Ottimizzazione del trasporto lungo la linea verticale:
Q1 [ supply
unit ]
Q2 [ supply unit ]
I magnete 90° [A]
Linea orizzontale 20 6 0
Linea verticale 30 17 190
Segnale di tensione proporzionale alla corrente letta
con una bandierina.
Q 1 Q 2Magnete 90°
Coincidenza tra i due segnali
Uscita linea verticale
Uscita linea orizzontale
Test sperimentaliLinea orizzontale completa: quattro quadrupoli
G1 (T/m) -10.504G2 (T/m) 7G3 (T/m) -7.703G4 (T/m) 9.103
Q 1 Q 2 Q 3 Q 4
Spot del fascio vista dalla
telecamera
Videocamera
Finestra terminale
Targhetta Fluorescente
2) Minime dimensioni spot circolare linea orizzontale:
Valori dei quadrupoli corrispondenti alle minime dimensioni sperimentalmente
ottenute per la spot circolare:
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
Test sperimentaliLinea orizzontale completa: quattro quadrupoli
3) Caratterizzazione preliminare della lente elettrostatica
Irraggiamenti sui CR-39
… misure dosimetriche preliminari alla radiobiologia (105, 106 protoni ):Stopping and Range of Ions in Matter
Strati attraversati
Spessore (mm)
Densità (g/cm3)
Energia in uscita dal
mezzo (MeV)
LET in H2O (keV/µm)
Range in H2O (µm)
Finestra di uscita in Kapton
0.05 1.43 2.135
Aria 5 0.001 2.057 16.1 80.5
rivelatoreSuperficielatentitracceNumero
LETD 19106,1
Area= 0.00023cm2
Dosimetri a tracce nucleari
Capsula PetriTraccia latenteDiametro=13mm Spessore=1.5mm
Irraggiamenti sui CR-39Prima sessione
di misuraCarica per impulso
(pC)
Numero di impulsi con cui si è irraggiato ogni
rivelatore
Supply unit impostate per i due
quadrupoli
Fascio orizzontale
0,2 20, 50 Quadrupoli spenti
Seconda sessione di
misura
Carica per impulso
(pC)
Numero di impulsi con cui si è irraggiato ogni
rivelatore
Supply unit impostate per i due
quadrupoli
Fascio orizzontale
4,95·10-2 20, 10, 5 Quadrupoli spenti
Fascio verticale 1,65·10 -2 20, 10, 5 Q1 = 39; Q2 = 0
Necessità di ridurre la densità di tracce
20 impulsi10 impulsi5 impulsi
• Sovrapposizioni delle tracce
• Tracce di grosso diametro
20 impulsi10 impulsi5 impulsi
• Rivelatori leggibili (5-10 impulsi)• Proporzionalità (n°impulsi - dose) •Fascio più pulito•Uniformità: U(x)=60% e U(y)=80%
Energia (keV)
LET in H2O (keV/µm)
Numero impulsi
Dose (Gy)
2057 16.1 5 0.036
2057 16.1 10 0.082
Irraggiamenti sui rivelatori di LiF
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)
… studio delle potenzialità dei rivelatori a film di LiF con fasci di protoni alle basse energie: imaging e dosimetria
Lettura con microscopio in fluorescenza: la CCD acquisisce l’immagine degli spot irraggiati nel range verde-rosso
Irraggiamenti sui rivelatori di LiFPrima sessione (Q1 e Q2 e collimatore):
1300
distribuzione trasversa del fascio,
Carica per impulso 6 pC
N° di impulsi film su vetro 300; 670; 1300; 1500
Durata impulso 60μs
, SRIM linearità
Irraggiamenti sui rivelatori di LiFSeconda sessione: (Q1; Q2; Q3; Q4 e collimatore):
Tensione di estrazione (Vextr) 26Tensione sulla lente unipolare (VEint) 25,4Tensione d’arco 170Filamento 29Pressione del gas 7,6Setting dei quattro quadrupoli 45;30;33;40
Carica per impulso 60 pC
N° di impulsi film su vetro 100-128000
N° di impulsi cristallo 150-128000
Durata impulso 60μs
8000750
32000 128000
studio in un ampio range di carica(5÷128000 0.29nC÷7.42μC )
Immagini delle spot: aumento della concentrazione dei centri F2
al crescere del numero di impulsi
Segnale medio fotoluminescenza:
450 - 32000
300 - 4000
Cristallo (1mm)
Film (1 μm)
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
Conclusioni …
• 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 LiF per dosimetria con fasci di protoni
• Trasporto del fascio di protoni da 7 MeV all’interno della linea “FODO-like” a PMQ.
- Spessore e substrato dei film di LiF.
- Linearità estraendo le immagini relative ai singoli canali.
… sviluppi futuri
Trace3D e test sperimentali: Impiego della lente unipolare
Irraggiamento CR-39:Sistema lettura per basse cariche
Ottimizzazione dei parametri (macchina e del trasporto del fascio)
Lettura fascio verticale (5-10 impulsi): Q per impulso=1,65·10 -2pC
Irraggiamento LiF:
PMQs:
Studio della linearità (5÷1280000.29nC÷7.42μC )“Imaging” trasversa del fascio
“matching” tra l’uscita dell’iniettore e la linea con i PMQ
Misura delle componenti armoniche dei PMQs
Ad es. per leggere basse cariche: incrementare lo spessore del film e usi un substrato di Si
Grazie per l’attenzione
Fabrizio Ambrosini
3cm
7mm
Layout attuale
PMQ
Struttura in fase di realizzazione
SCDTL
PMQ: necessari per la focalizzazione del fascio
Caratterizzazione magnetica dei PMQMisura del gradiente e delle componenti armoniche
FFT
Spessore (d) 1.4 mm
Lunghezza 40 mm
Lunghezza efficace (Leff) 3 cm
Numero di avvolgimenti (N) 9
“Matching” con linea tipo “FODO lattice” a quadrupoli a magneti permanenti (PMQ)
Ricerca dei valori di gradiente magnetico dei quadrupoli
1°PMQ foc. orizzontale (+)
yBmax=13.472 mm
Ottenere il l’adattamento tra caratteristiche del fascio in uscita
dall’iniettore e la linea FODOPER
Ottimizzazione con TRACE3D:
yAmax=14.8433 mm Orizzontale LongitudinaleVerticale
1°PMQ foc. verticale (-)
Irraggiamenti sui CR-39Sistema di misura del fascio in regime di bassa carica
CVQ
CRms3.3
Il valore della carica accumulata per il numero di
impulsi selezionati
MR 1nFC 2.3
Bandierina
Interruttore
I
Target
Impianto di evaporazione termica per film di fluoruro di litio, GP20 SISTEC-
Angelantoni.
Irraggiamenti sui rivelatori di LiF
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.
Vantaggi: • Altissima risoluzione spaziale (lim. Sistema di lettura).• I CC nel LiF sono stabili a temperatura ambiente.• I CC non 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).