1. LaureaMagistrale in Fisica Ottimizzazione del disegno di un dosimetro per trattamentiadroterapeutici Angela Bollella Relatore: Riccardo FacciniCorrelatore: Cecilia Voena 20 Dicembre 2013

2. SOMMARIO • ADROTERAPIA • PROGETTO DI RICERCA • Il dosimetro • OTTIMIZZAZIONE DEL DISEGNO DEL DOSIMETRO: • Ricostruzionecomponenteneutra del flussosecondarioproveniente dal paziente • CONCLUSIONI Angela Bollella

3. 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

4. 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

5. 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

6. 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

7. 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

8. 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

9. 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

10. 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

11. 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

12. 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

13. 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

14. Ricostruzionefotoneprimario Direzionefotone Compton al LYSO dal fit Gaussianobidimensionale Direzione elettrone Compton neltracciatore dal fit di Kalman c1MC= 0.538 ± 0.005 Angela Bollella

15. 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

16. 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

17. 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