Introduzione



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Capitolo 1 7

Principi di protonterapia 7

1.3.2 Modulazione dell’ energia e SOBP 17

1.3.4 il problema del movimento degli organi 22

1.4 cenni di radiobiologia 23

1.4.1 quantificazione degli effetti biologici 23

1.4.2 efficacia biologica di protoni e ioni carbonio 26

Capitolo 2 28

Il progetto TOP - IMPLART 28

2.1 Descrizione del progetto TOP-IMPLART 28

2.2 Il progetto satellite ISPAN 30

2.3 Descrizione dell’iniettore 31

2.3.1 L’iniettore Accsys-Hitachi PL-7 31

2.3.2 La sorgente di protoni duoplasmatron 33

2.3.3 RFQ: Radio – Frequency Quadrupole 35

2.3.4 DTL: Drift Tube Linac 38

2.4 Il focheggiamento del fascio: i quadrupoli 41

2.5 la deflessione del fascio: il magnete di deflessione 45

Capitolo 3 47

Grandezze che caratterizzano il fascio 47

3.1 Caratterizzazione della dinamica trasversale di un fascio di protoni 48

3.1.1 la matrice di trasferimento ed il teorema di Liouville 49

3.1.2 emittanza e parametri di Twiss 50

3.1.3 la matrice del fascio 53

3.1.4 emittanza RMS e emittanza normalizzata 55

3.2 caratterizzazione della dinamica longitudinale di un fascio di protoni 57

3.2.1 Guadagno di energia del fascio 57

3.2.2 L’energy spread 59

3.3 interazione tra fascio di protoni e materia 60

3.3.1 Lo stopping power 60

3.3.2 La curva di Bragg 63

3.3.3 Il range 64

3.3.4 La dose assorbita e la dose equivalente 66

Capitolo 4 67

Misure di emittanza e dei parametri di Twiss 67

4.1 Il principio di misura 68

4.2 Le condizioni sperimentali di misura 72

4.2.2 La linea di trasporto del fascio 72

4.2.2 I parametri operativi dell’iniettore 75

4. 3 Procedura di misura 77

4.4 Presentazione e discussione dei risultati ottenuti 81

4.4.1 Misure a 3 MeV 81

4.4.2 Misure a 7 MeV 86

4.5 Cause d’incertezza nella misura di emittanza 89

Capitolo 5 90

Misure di range e picco di Bragg 90

5.1 Principio di misura 90

5.2 Le condizioni sperimentali di misura 90

5.2.1 condizioni sperimentali per le misure di range 91

5.2.2 condizioni sperimentali per la misura di picco di Bragg 96

5.3 Misure di range 96

5.4 Confronto tra risultati sperimentali e simulazioni: SRIM 2011 99

5.5 Misura di picco di Bragg 105

5.6 valutazione dell’incertezza per le misure di range e picco di Bragg 107

Capitolo 6 109

Ottimizzazione della linea di trasporto del fascio per esperimenti di 109

radiobiologia 109

6.1 Descrizione del software: trace3d 109

6.2 le condizioni sperimentali 110

6.3 Impostazione della simulazione 111

6.4 Simulazioni con fascio orizzontale 113

6.5 Simulazioni con fascio verticale 116

Capitolo 7 120

Misure di dose 120

7.1 principio di misura 120

7.2 Il sistema di rilascio della dose 121

7.3 Misure preliminari di dose 125

7.3.1 La catena di misura 125

7.3.2 Verifica dell’affidabilità della catena di misura 126

7.4 Calibrazione del fascio per esperimenti di radiobiologia 128

7.5 Analisi dosimetrica 130

Conclusioni 136

Appendice A 139


Introduzione

La protonterapia a fasci esterni è una pratica radioterapica che consiste nell’irradiare un volume tumorale con un fascio di protoni. Il grande vantaggio clinico di un tale trattamento, rispetto alla radioterapia tradizionale, risiede nel particolare andamento del profilo di dose depositata all’interno di un tessuto, in funzione della profondità. Quest’andamento prende il nome di curva di Bragg, la quale è caratterizzata dall’avere una regione iniziale piatta, nella quale l’energia ceduta ai tessuti è molto ridotta, seguita da un picco di dose rilasciata, prossimo al termine del percorso della particella nel mezzo. Grazie a quest’andamento del profilo di dose si riesce a colpire selettivamente il volume bersaglio, inviando la dose minima ai tessuti circostanti.


Fig. 1 curva di Bragg


Sebbene la protonterapia rappresenti una pratica clinica recente, è presto diventato un trattamento largamente riconosciuto nell’ambito della medicina oncologica, tanto che, al termine del 2010, ben 80000 pazienti in tutto il mondo sono stati sottoposti a tale terapia.
Un ulteriore vantaggio della protonterapia rispetto alla radioterapia convenzionale, basata sull’uso dei raggi X, riguarda la maggior efficacia biologica relativa (Relative Biological Effectiveness) di un fascio di protoni rispetto ad un fascio di raggi X. A parità di dose depositata, un fascio di protoni genera un maggior numero di danni biologici nel materiale rispetto ad un fascio di raggi X.
Il fascio di protoni viene generato da una macchina acceleratrice la quale può essere circolare (sincrotrone o ciclotrone) o lineare (linac). A differenza della maggior parte dei centri di protonterapia usualmente basati sull’impiego di macchine circolari, il progetto TOP – IMPLART, condotto da ENEA in collaborazione con Istituto Superiore di Sanità (ISS) e IFO (Istituti Fisioterapici Ospedalieri), ha scelto un acceleratore lineare per la realizzazione di un centro di protonterapia a Roma, presso l’IFO.
L’obiettivo finale è la realizzazione di un centro di protonterapia basato su un acceleratore lineare da 230 MeV composto da una serie di moduli disposti in sequenza. L’impianto TOP-IMPLART prevede la realizzazione dell’acceleratore in due fasi: una prima fase in cui sarà realizzato e reso operativo un impianto da 150 MeV, completo dei dispositivi di rilascio di dose per il trattamento dei tumori superficiali e semi-profondi, e una seconda fase in cui l’impianto sarà esteso in lunghezza, per produrre un fascio di energia sino a 230 MeV, al fine di trattare anche le lesioni profonde.
Lo scopo è non solo di migliorare le caratteristiche tecniche del fascio terapeutico, grazie alle superiori qualità ottiche dei fasci prodotti dagli acceleratori lineari, ma soprattutto di realizzare una macchina modulare, che sia progettabile in dimensioni appropriate tali da diminuire i costi di impianto e permettere una maggiore diffusione della protonterapia.
L’impianto sarà dedicato oltre che alla radioterapia clinica anche alla radiobiologia con protoni: sono previsti perciò laboratori di biologia cellulare e molecolare, per l’irraggiamento di piccoli animali e colture cellulari. Tra gli obiettivi scientifici dell’attività di radiobiologia ci saranno lo sviluppo di modelli “in vivo” e “in vitro” per lo studio di meccanismi cellulari e molecolari coinvolti nei processi di cancerogenesi e di risposta all’irraggiamento con protoni ed esperimenti per la caratterizzazione biologica del fascio, in termini di RBE, sopravvivenza cellulare, tempi di riparo, attività proliferativa e di riassorbimento cellulare dopo il trattamento.
Poiché la prima fase del progetto ha dei risvolti di ricerca scientifica che richiedono attenzione e necessitano un avvio preventivo rispetto alle opere infrastrutturali, il programma prevede la realizzazione e la messa in funzione del prototipo del linac in un sito di test presso l’ENEA di Frascati, nel quale ovviamente è esclusa ogni pratica clinica. Il bunker sarà capace di accogliere l’intero acceleratore fino a 150 MeV, per consentire tutti i test preliminari di dosimetria e tutte le misure che garantiscono l’accettabilità di una tale apparecchiatura in un sito medicale. Inoltre si prevede l’utilizzo di un primo segmento di accelerazione fino a 17.5 MeV per l’effettuazione di esperimenti radiobiologia nell’ambito del programma satellite ISPAN, che prevede l’irraggiamento di campioni biologici e piccoli animali e lo sviluppo dei sistemi dosimetrici per la misura delle qualità del fascio radiante.
I valori di corrente media richiesti all’acceleratore, che opera in maniera impulsata, sono dell’ordine di 1-10 nA per la protonterapia e di 0,1pA fino a qualche pA per la sperimentazione radiobiologica.
La parte iniziale dell’acceleratore, denominata iniettore, è un acceleratore per protoni prodotto dalla ditta statunitense ACCSYS, attualmente installato presso il centro ENEA di Frascati. L’iniettore è composto principalmente dalle seguenti tre parti: la sorgente di protoni duoplasmatron, il radiofrequency quadrupole (RFQ) da 3 MeV ed il drift tube linac (DTL), all’uscita del quale il fascio di protoni possiede un’energia di 7 MeV.

Fig. 2 L’iniettore (modello PL7 della ditta ACCSYS) installato nel bunker dell’ ENEA-Frascati


L’iniettore è seguito da una linea di trasporto del fascio composta da quadrupoli magnetici, per la focalizzazione del fascio di protoni e di adattamento trasversale alla sezione accelerante successiva, e da un magnete di deflessione verticale, in modo da poter effettuare esperimenti di radiobiologia sia con fascio orizzontale (magnete “off”) sia con fascio verticale (magnete “on”) a energia variabile fino a 7 MeV.
L’obiettivo della tesi è l’ottimizzazione del sistema di rilascio di dose da parte del fascio di protoni a bassa energia prodotto dall’iniettore, per l’irraggiamento di campioni cellulari.

Il lavoro è fondamentalmente diviso in tre parti:



  1. misure di caratterizzazione del fascio in termini di caratteristiche trasversali (dimensioni e divergenza) ed energia del fascio direttamente all’uscita dell’acceleratore

  2. messa a punto di un sistema di rilascio di dose su campioni biologici e del sistema di misura della dose nella posizione del campione

  3. ottimizzazione del setup sperimentale (parametri dell’acceleratore, sistema di trasporto fascio) in accordo con i requisiti richiesti dagli esperimenti di radiobiologia in termini di dose (0,1 Gy6 Gy) e uniformità sul campione.

In particolare le caratteristiche trasversali del fascio all’uscita dell’iniettore sono state determinate mediante l’esecuzione di misure di emittanza (ε) e parametri di Twiss (α e β), nel piano orizzontale e verticale, alle energie di 3 MeV e 7 MeV, attraverso il metodo del “quadrupole-scan”.


L’effettiva energia del fascio all’uscita dell’iniettore è stata determinata tramite misure di range, e si è ricostruita sperimentalmente la curva di Bragg, che permette l’individuazione della profondità alla quale viene rilasciata la massima dose.
Partendo dalle caratteristiche del fascio, misurate all’uscita dell’iniettore, sono stati ricavati, mediante diverse simulazioni numeriche, i valori ottimali per i gradienti magnetici dei quadrupoli, per differenti dimensioni del fascio nella posizione di irraggiamento dei campioni.
Infine si è caratterizzato il fascio dal punto di vista dosimetrico, in termini di carica accumulata e dose assorbita. È stato progettato e realizzato un sistema di rilascio della dose, si sono ricavati i valori di carica accumulata corrispondenti all’intervallo di dose richiesta per gli esperimenti di radiobiologia e determinati i corrispondenti parametri della macchina.
L’ultima parte della tesi riporta i risultati delle prime misure dosimetriche su rivelatori a tracce nucleari, preliminari ai successivi test di irraggiamento di campioni cellulari.
Tutta l’attività sperimentale è stata svolta presso i laboratori dell’ENEA, presso il Centro ENEA di Frascati dove è istallato ed in funzione l’iniettore del fascio di protoni.



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