alcune attivita’di ricerca in fisica medica presso l’universita’ di torino
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Alcune attivita’di ricerca in Fisica Medica presso l’Universita’ di Torino. Flavio Marchetto INFN Torino 17/9/2004. Introduzione alla radiazioni ionizzanti: cenni storici grandezze fisiche. 2. Effetti biologici della radiazione. 3. Radiazione ionizzante naturale e artificiale. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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Alcune attivita’di ricerca in Fisica Medica presso
l’Universita’ di TorinoFlavio Marchetto
INFN Torino
17/9/2004
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1. Introduzione alla radiazioni ionizzanti:• cenni storici
• grandezze fisiche
2. Effetti biologici della radiazione
3. Radiazione ionizzante naturale e artificiale
4. Uso delle radiazioni per il trattamento radioterapeutico
5. Trattamento conformazionale e adroterapia
6. Rivelatori per la misura delle radiazioni ionizzanti
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W.K Roetgen scopre i raggi XA.H. Becquerel scopre la radioattivita’ : “radiazione invisibile emessa da sostanze fosforescenti” ( sali d’uranio)
I pionieri
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1898 Pierre e Marie Curie scoprono il polonio e il radio
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La natura della radioattivita’
1899 E. Rutherford studia le proprieta’ delle radiazioni ionizzanti emesse dall’uranio:
Ipotesi: il decadimento radioattivo implica la trasmutazione da un elemento chimico ad un altro
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Esempi : ( notazione ZNA)
1) decadimento 92U
238 -> 90 Th
234 + 2He
4 ( He e' detto )
Il numero di nucleoni prima e dopo il decadimento non cambia238 ( prima dell'urto ) = 234 + 4 (dopo l'urto)
2) decadimento 90 Th
234 -> 91Pa
234 + e- ( lo e- e' detto )
Anche in questo caso il numero totale di nucleoni non cambiama un neutrone del Torio e' decaduto in un protone + elettrone + neutrino
3) decadimento 91Pa
234 -> 91Pa
234 + ( e' una radiazione elettromagnetica)
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Tutti i radionuclidi sono raggruppati in famiglie di elementi che decadono fino ad un isotopo stabile del Pb con legge esponenziale:
N(t) = N0 e-t
essendo la vita media
L’attivita’di una sorgente e’ definita dal numero di disintegrazioni nell’unita’di tempo.
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Si definiscono le seguenti grandezze:
1) unita' di attivita' : Becquerel : 1 Bq = 1 disintegrazione/soppure Curie: 1 Ci = 3.7x1010 disintegrazioni/s
2) unita' di Dose assorbita: Gray(Gy) che misura l'energia E assorbitada un corpo di massa M -> D = E/M1 Gy = 1 Joule/kg = 6.24 x 1015 keV/kg
3) unita' di Dose equivalente (di danno biologico) : sievert (Sv)Dose equivalente = Dose assorbita w Sv = Gy w -> 1 Sv = 1 Gy se w = 1
ove w dipende dal tipo di radiazione : w=1 per (elettroni), (fotoni)e muoni; w = 20 per .
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Effetti biologici della radiazione
L’eccitazione e la ionizzazione delle molecole del tessuto inducono un danno cellulare
• danno diretto al DNA dovuto alla rottura dei legami molecolari
• danno indiretto dovuto alla ionizzazione di molecole di H2O con creazione di radicali liberi che attaccano chimicamente le cellule
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Oltre alla radioattivita' naturale, si e' soggetti alla radiazione dovuta alle 'attivita' umane':
radiografie;
TAC;
trattamenti radioterapeutici;
emissione di centrali nucleari (in prima approssimazione, non in Italia).
Radiazione ionizzante naturale e artificiale
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Dose totale annuale2.2 mSv
87% naturale
13% artificiale
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Confronto dei valori dovuti alla radioattivita' naturale che va da 0.4 a 4 mSv/anno (con punte in certe regioni del mondo a 50 mSv/anno) con alcune sorgenti di radioattivita' artificiale[ per irraggiamento con fotoni o elettroni 1Gy = 1 Sv poiche’ w = 1]
1) Radiografia al torace: Dose equivalente = 1 mSv (equivalente a circa 2 anni di radioattivita' naturale.)
2) TAC: Dose equivalente 10 mSv (equivalente a circa 20 anni diradioattivita' naturale.)
3) trattamento radioterapeutico (trattamento per i tumori):Dose equivalente 50 Sv (tutte le cellule del bersaglio sono distrutte.)
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Esaminiamo ora le apparecchiature e i rivelatori che stanno attorno ai trattamenti radioterapeutici:
• acceleratori di particelle
1. ciclotroni
2. linac
3. sincrotrone
• rivelatori per la misura della dose
Uso delle radiazioni per il trattamento radioterapeutico
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Terapia dei tumori con radiazioni
100 % of tumor patients
Treatment available45 %
Treatment non available55 %
Local treatments(surgery, radiotherapy)
40 %
Systemic treatments(chemotherapy, etc)
5 %
Surgery alone22 %
With radiotherapy18 %
90 % 10 %
56 % 44 %
40 %40 %of totalof total
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ciclotrone
F = q E
F = q v B
ove E campo elettrico e B campo magnetico
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Linac per elettroni a Frascati-INFN: 3 GHz
Sorgente di protoni o
di ioni carbonio
300 MHz
Linac
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sincrotrone
ADONE a Frascati - 1969
25 m
Cavità a RF: 1- 5 MHz
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I radioterapisti usano un solo tipo di acceleratore: linac per elettroni
target
Multileaf collimator
3 GHz Electron linac
270 bending magnet
e- X on target
Flattening filters
Ion chambers
Maximum dose rate: ~ 5 Gy/min
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Testata rotante, collimatore multilamellare esistema piani di trattamento (TPS)
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Piano di trattamento (TPS) e’ l’insieme di operazioni della macchina acceleratrice per ottenere la dose prescritta dal medico nel volume da trattare.
Quindi il TPS definisce l’angolo da cui si irraggia il paziente e la forma
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Gli “adroni” sono
fatti di quark
ione carbonio =
6 protoni + 6 neutroni
atomo
protone o
neutrone
quark “u” o “d”
elettrone “e”
Cosa sono gli adroni?
Trattamento terapeutico d’avanguardia prevede l’uso di adroni
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(PSI – Villigen)
200 MeV protons
4700 MeV Carbon
Spread Out Bragg Peak
Distribuzione della perdita di energia in funzione della profondita’ per
• elettroni
• raggi X
• protoni e ioni Carbonio
picco di Bragg
profondita’ del picco e’ funzione della energia dell’adrone
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Vantaggio macroscopico dell’ adroterapia
Photons Protons
Rapid fall-off
raggi X protoni
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I protoni sono piu’ precisi dei raggi X: esempio
tumore tra gli occhi
9 fasci X 1 fascio di protoni
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Vantaggio microscopicodegli ioni carbonio
1 10 100 LET
RBE
4
3
2
1
10 – 20 keV/mm = 100 – 200 MeV/cm =
20 – 40 eV/(2 nm)
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Passive system
Active system
Beam delivery system
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Rivelatori per la misura della dose in funzione della posizione (x,y) e del tempo:
• granularita’ sufficiente per determinare la forma esatta del fascio
• velocita’ di reazione adeguata per poter bloccare il trattamento se il sistema di trattamento non segue le specifiche richieste dal piano di trattamento
camera a ionizzazione
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Principio della camera a ionizzazione:
-
+
-
+V -V
catodoanodo
si raccoglie una corrente proporzionale al numero di particelle cariche che attraversano la camera nell’unita’ di tempo
particella carica
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Pixel chamber
Parallel plate ionization chamberAnode segmented in 1024 pixelsPixel dimension = 7.5 7.5 mm2
Sensitive area = 24 24 cm2
25 μm kapton + 20 μm copperDigital output (16 bit)1024 independent electr. channelsReadout time = N. of Pixel 100 nsNo dead timeTested 2 times at GSI on therapeutical beam
Produced by INFN Torino
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Front-end electronics
TERA05 VLSI chip designed by INFN Torino
• 64 channels• digital output (16 bit)• sensitivity between 100 and 800 fC
• max frequency = 5 MHz• readout frequency = 10 MHz• no dead time
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Collaboration (INFN To)
The chip has been produced and is used by
IBA and Wellhofer/Scanditronix
Research Industry
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Collaboration (INFN To)
CATANA ProjectLaboratori Nazionali del Sud
INFNCatania
Strip detectors andelectronicsto monitor (x and y):• beam position• symmetry
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Test at GSI - results
•E = 200.3 MeV/u•Intensity = 2108 ions/spill
σ = 0.8 %
•Uniform dose on 12×12 cm2
•FWHM = 7.1 mm
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Spatial resolution <
0.2 mm
GSI test - results
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Pixel chamber for photon
2D dose verification
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CNAO
Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica
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CNAO building
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The accelerator