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Tesi etd-02232009-222257


Thesis type
Tesi di laurea specialistica
Author
PILIERO, MARIA ANTONIETTA
URN
etd-02232009-222257
Title
Caratterizzazione di un fascio di protoni da 62 MeV con un rivelatore a pixel di silicio
Struttura
SCIENZE MATEMATICHE, FISICHE E NATURALI
Corso di studi
FISICA APPLICATA
Supervisors
Relatore Dott.ssa Bisogni, Maria Giuseppina
Parole chiave
  • silicon detector
  • hadrontherapy
  • dose
  • dosimetria
  • profilo del fascio
  • dosimetry
  • beam profile
  • medical physics
  • protons
  • fisica medica
  • Montecarlo
  • adroterapia
  • CATANA
  • pixel
  • rivelatori al silicio
  • medipix
  • medipix2
  • fascio di protoni
  • protoni
  • GEANT4
  • GEANT
  • Monte Carlo
  • proton beam
Data inizio appello
12/03/2009;
Consultabilità
Completa
Riassunto analitico
L'adroterapia e` una tecnica particolare di radioterapia che prevede l'uso di particelle cariche pesanti, come ad esempio i protoni, per l'irraggiamento di cellule cancerose. Grazie alla loro elevata Efficacia RadioBiologica (RBE) e alla caratteristica curva di distribuzione della dose al variare della profondita` di penetrazione, le particelle pesanti risultano idonee al trattamento di tumori profondi oppure prossimi ad organi critici. Esse permettono infatti di fornire tutta la dose alle cellule cancerose risparmiando il piu` possibile i tessuti sani circostanti.

Attualmente l'unico centro di adroterapia in Italia e` il centro CATANA (Centro di AdroTerapia ed Applicazioni Nucleari Avanzate) nato nel 2002 a Catania da una collaborazione fra i Laboratori Nazionali del Sud dell'INFN con sede a Catania (LNS-Catania), la Clinica Oculistica, l'Istituto di Radiologia ed il Dipartimento di Fisica dell'Universita` degli Studi di Catania. Il centro e` provvisto di un Ciclotrone Superconduttore che accelera protoni fino ad un'energia di 62 MeV. Una linea del Ciclotrone Superconduttore e` dedicata al trattamento di melanomi della coroide e dell'iride. All'uscita del ciclotrone i protoni attraversano una serie si elementi che modellano il fascio in modo da fornire le caratteristiche geometriche e dosimetriche adatte ad una seduta di trattamento. In particolare, tramite l'uso di "range shifters" e modulatori e` possibile per ogni paziente definire la profondita` di penetrazione del fascio di protoni. Inoltre, tramite collimatori di ottone personalizzati e` possibile conformare l'estensione laterale del fascio alla forma del tumore.

Le caratteristiche fisiche e dosimetriche del fascio vengono determinate prima di ogni trattamento radioterapico. Le misure di dosimetria sono effettuate attraverso camere a ionizzazione poste lungo la linea del fascio come monitoraggio continuo durante l'irraggiamento; la dosimetria assoluta del fascio viene invece effettuata prima di ogni trattamento mediante un' ulteriore camera a ionizzazione montata sulla sedia motorizzata. I profili laterali del fascio sono acquisiti scandendo la sezione trasversale del fascio con un diodo mentre le caratteristiche geometriche vengono misurate attraverso una lastra di GAF-Cromico. Questi sistemi, pur essendo accurati e riproducili, tuttavia prevedono lunghi tempi di acquisizione e non permettono un'analisi on-line dei dati. A tale proposito e` stato effettuato uno studio di fattibilita` riguardo la possibilita` di utilizzare un sistema di rivelazione a pixel di silicio in grado di fornire on-line le immagini della sezione trasversale del fascio ed informazioni dosimetriche.

Il sistema impiegato si basa sul rivelatore a conteggio del singolo evento MPX2 sviluppato nell'ambito della collaborazione Medipix2 composta da 17 istituti di ricerca Europei e Nordamericani, tra cui anche il Dipartimento di fisica dell'Universita` di Pisa e l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare. Il sistema e` composto da una lastra di silicio dello spessore di 300 um e dal chip di lettura MPX2. Su una superficie della lastra e` stata realizzata una matrice di 256x256 pixel quadrati di lato pari a 55 um; ogni pixel e` collegato al proprio canale di lettura mediante bump-bonding. L'interazione all'interno del silicio porta alla formazione di coppie elettrone-lacuna che migrano verso i rispettivi elettrodi tramite un campo elettrico applicato ai capi del rivelatore. La carica raccolta in ogni pixel viene elaborata dal corrispettivo canale di lettura, in particolare viene convertita in un segnale di tensione passando attraverso un preamplificatore e confrontata con una soglia minima e con una soglia massima all'interno di un comparatore a doppia soglia; un contatore a 13 bit viene incrementato di una unita` nel caso in cui il segnale cada all'interno di questa finestra.

Per comprendere ed ottimizzare la risposta del rivelatore ad un flusso di protoni e` stata scritta una simulazione del nostro rivelatore all'interno della piattaforma di lavoro GEANT4; in particolare e` stato simulato il deposito di energia da parte di un fascio di protoni monoenergetico di 62 MeV all'interno di una lastra di silicio spesso 300 um opportunamente suddivisa in pixel. Successivamente sono state ottenute immagini della sezione trasversale del fascio simulando l'intera linea del fascio. I conteggi per ogni pixel sono stati ottenuti mediante un semplice controllo sull'energia depositata nell'elemento.

Durante il lavoro di tesi sono stati effettuati due turni di presa dati al centro CATANA. Nei due turni di presa dati e` stata indagata la risposta del sistema di rivelazione MPX2 al variare della dose, del rateo di dose del fascio di protoni e del tempo di esposizione; sono state inoltre effettuate misure di riproducibilita` .

Tale caratterizzazione e` stata preceduta da un lavoro di calibrazione del sistema. Per questo scopo sono stati utilizzati impulsi test di ampiezza variabile inviati direttamente all'elettronica di ogni singolo canale, sorgenti radioattive ed un tubo a raggi X.

Durante il primo test beam, come misura preliminare e` stato effettuato un confronto fra il nostro sistema e un contatore di riferimento basato su uno scintillatore YAP: il nostro sistema ha misurato un flusso di protoni di 5.05x105 Hz/nA mm^2 normalizzato per la corrente del fascio, mentre 5.09x105 Hz/nA mm^2 e` il flusso misurato dal sistema a scintillazione. I due valori risultano paragonabili all'interno dell'errore del 5% dominato dalle fluttuazioni della corrente di fascio. Abbiamo quindi indagato la risposta del nostro sistema al variare della dose e del rateo di dose. Le analisi dei dati mostrano un andamento lineare al variare della dose ed indipendente dal rateo di dose fino a valori tre volte superiori rispetto al valore di 15 Gymin utilizzato normalmente in un trattamento radioterapico. La risposta si e` inoltre mostrata lineare al variare del tempo di esposizione e riproducibile. Si sono infine acquisite immagini interponendo fra il rivelatore e l'ultimo collimatore della linea del fascio degli spessori di lucite di dimensioni variabili in modo da misurare la variazione della zona di penombra del fascio. I profili trasversali di queste immagini sono state in seguito confrontati con quelli relativi alle immagini ottenute dalla simulazione in GEANT4.

Il limite di questo sistema di rivelazione risiede nelle dimensioni; la superficie del rivelatore e` infatti pari a 14 * 14 mm^2, troppo piccola per poter coprire la massima sezione trasversale del fascio di 25 mm di diametro. A tal proposito si pensa in seguito di utilizzare una versione del sistema di superficie quadrupla ottenuta affiancando quattro sistemi di rivelazione in modo tale da estendere la superficie sensibile ad un quadrato di 28 * 28 mm^2.
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