OMOGENEITA’ IN UN FASCIO DI PROTONI TERAPEUTICOSTUDIO E REALIZZAZIONE DEL SISTEMA DI DIFFUSIONE

PER IL FASCIO DI PROTONI DA 62 AMeV DELLA FACILITY CATANA

Cirrone G.A.P.† ° , Cuttone G.†, Lo Nigro S.°, Raffaele L. †, Sabini M.G. °†, Romeo N. †, Salamone V. † °

† INFN-Laboratori Nazionali del Sud, Via S. Sofia, 44, 95123 Catania (Italia)° Dipartimento di Fisica ed Astronomia Università di Catania, Corso Italia 57,

95100 Catania (Italia)

PROGETTO CATANA

Trattamento dei tumori oculari con fasci di protoni da 62 AMeV

dal Ciclotrone Superconduttore dei Laboratori Nazionali del Sud di Catania

Laboratori Nazionali del Sud - INFN

Dipartimento di Fisica Università di Catania

Istituto di Radiologia Università di Catania

Istituto di Oftalmologia Università di Catania

II Congresso nazionale AIFM, Brescia 12 - 16 Giugno 2001

Irraggiamento uniforme della zona tumorale con massimo risparmio dei tessuti sani e delle strutture critiche circostanti

Proprietà favorevoli dei fasci di protoni rispetto alle radiazioni convenzionali:

Alta localizzazione della dose

Minimi valori della penombra laterale

Minimi valori del distal fall-off

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Trasporto e formazione di un fascio terapeutico di protoni

Ottimizzazione delle proprieta’ dosimetriche del fascio in funzione degli elementi della linea con tecniche Montecarlo

Valutazione dei risultati sperimentali, relativamente ai profili trasversali di dose, in termini di omogeneità, penombra, simmetria

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TRASPORTO E FORMAZIONE DI UN FASCIO TERAPEUTICO

Requisiti fondamentali nello sviluppo di una linea di protonterapia:

OMOGENEITA’

In termini di distribuzione laterale della dose che deve essere tale da permettere l’irraggiamento uniforme e selettivo del volume da trattare

L’obiettivo è ottenere un campo capace di irraggiare l’intera zona tumorale con

una dose uniforme entro il 2.5% e valori di penombra compresi tra 1mm e 1.5 mm

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ENERGIA

Sufficiente a raggiungere la profondità del tumore (~ 30 mm di “eye tissue”)

N.ro pazienti

TRASPORTO E FORMAZIONE DI UN FASCIO TERAPEUTICO

Elementi principali di una facility di protonterapia:

Elementi magnetici che indirizzano e focalizzano il fascio dall’acceleratore alla sala di trattamento: 80 metri nel nostro caso(Linea di Fascio)

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Laboratori Nazionali del Sud di Catania

TRASPORTO E FORMAZIONE DI UN FASCIO TERAPEUTICO

Elementi posti in aria nel tratto finale della linea di fascio che ne determinano le caratteristiche terapeutiche e ne assicurano il monitoraggio(Linea di Trattamento)

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1° Diffusore

3000 mm

2° Diffusore + stopper

Collimatore, = 35 mm

ModulatoreRange shifter Camere Monitor + camera 4 settori

Collimatore finale Isocentro

300 mm

85 mm

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Asse del fascio

Sedia per il posizionamento del paziente

SISTEMI DI DIFFUSIONE

Il fascio di protoni giunge all’interno della sala di trattamento con un diametro relativamente piccolo:

Deve essere allargato lateralmente, nella direzione perpendicolare al suo asse centrale

Metodi di diffusione:

Passivi

Attivi

Singolo diffusore

Doppio diffusore

Doppio diffusore con stopper centrale

Doppio diffusore con annulus

Diffusori a doppio materiale

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SISTEMI DI DIFFUSIONE: FORMULA MOLIERE PER UN DIFFUSORE DI TIPO PASSIVO

Tutti i sistemi passivi sono basati sui processi di diffusione multipla coulombiana che le particelle cariche subiscono quando incidono su un materiale: esse si distribuiscono gaussianamente con deviazione standard 0

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Formula di Molìere (Z. Naturforsch. A 10 1955)

dde

N

Nd sin2/20

220

2

2

1

Fascio incidente

][log9

11

1.140 radians

L

L

L

L

p

Z

RR

inc

Parametrizzazione di Higland (NIM 129 1979)

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PROGETTAZIONE DEL SISTEMA DI DIFFUSIONE CON METODI MONTE CARLO

CONFIGURAZIONI STUDIATE

SINGOLO DIFFUSORE300 m Tantalio

DOPPIO DIFFUSORE80 m + 20 m Tantalio

DOPPIO DIFFUSORE CON STOPPER CENTRALE

15 m + 25 m + stopper di rame

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1° Diffusore 2° Diffusore

RISULTATO SIMULAZIONI

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CONFRONTO SIMULAZIONE RISULTATI SPERIMENTALI

Profilo sperimentale di un fascio di protoni da 62 AMeV non modulato ottenuto con un rivelatore al silicio per protoni ad alta risoluzione posto in aria e all’isocentro

0

20

40

60

80

100

120

140

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40

Distanza dall'asse [mm]

Do

se n

orm

aliz

zata

[%]

Simulazione Montecarlo

Risultato sperimentale(Diodo al silicio)

Diodi al silicio

Film Radiografici

Film Radiocromici

TLD

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140

-20 -10 0 10 20 30

Distanza dall'asse [mm]

Do

se n

orm

aliz

zata

[%]

Fascio non modulato all’isocentro

COLLIMATORE: Φ = 25 mm RIVELATORE: diodo al silicio

VALUTAZIONE DELL’OMOGENEITA’ NELLE CONDIZIONI TERAPEUTICHE

Per una valutazione dosimetrica della omogeneità va considerato che ogni elemento della linea con cui il fascio interagisce può modificare la distribuzione dei profili trasversali di dose

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Per una valutazione dosimetrica della omogeneità va considerato che ogni elemento della linea con cui il fascio interagisce può modificare la distribuzione dei profili trasversali di dose

VALUTAZIONE DELL’OMOGENEITA’ NELLE CONDIZIONI TERAPEUTICHE

0

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Distanza dall'asse [mm]

Do

se n

orm

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zata

[%]

Fascio non modulato all’isocentro

Fascio modulato all’isocentro

COLLIMATORE: Φ = 25 mm RIVELATORE: diodo al silicio

II Congresso nazionale AIFM, Brescia 12 - 16 Giugno 2001

Per una valutazione dosimetrica della omogeneità va considerato che ogni elemento della linea con cui il fascio interagisce può modificare la distribuzione dei profili trasversali di dose

VALUTAZIONE DELL’OMOGENEITA’ NELLE CONDIZIONI TERAPEUTICHE

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Distanza dall'asse [mm]

Do

se n

orm

aliz

zata

[%]

Fascio non modulato all’isocentro

Fascio modulato all’isocentro

Fascio modulato al centro del SOBP

COLLIMATORE: Φ = 25 mm RIVELATORE: diodo al silicio

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CONCLUSIONI

FASCIO NON MODULATO “FULL ENERGY”, 62 AMeV, = 25mm

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

0 5 10 15 20 25 30 35 40

FASCIO MODULATO AL CENTRO DELLO SOBP, = 25mm

0

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60

80

100

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0 5 10 15 20 25 30 35 40