Caratterizzazione di un fascio di protoni tramite un tomografo a emissione di positroni dedicato

Nuovi casi di tumori maligni vengono regolarmente diagnosticati, e solo in Italia si stima che nel 2014 vi siano stati circa 1000 nuovi casi al giorno. Attualmente, le metodologie per la cura dei tumori sono la chirurgia, la chemioterapia e la radioterapia. Sono tuttavia in sviluppo nuove tecniche quali l’immunoterapia e l’adroterapia. L’adroterapia, in particolare, è una tecnica che sfrutta adroni, generalmente protoni e ioni carbonio, che per le loro proprietà di interazione con la materia permettono un rilascio della dose maggiormente concentrata nella zona da trattare rispetto alla radioterapia convenzionale. In particolare, l’adroterapia si è dimostrata la migliore per il trattamento del melanoma oculare, tumore maligno più frequente nell’età adulta con una incidenza di circa 350 nuovi casi l’anno in Italia, in quanto permette in molti casi di conservare la restante capacità visiva dell’occhio trattato. Attualmente in Italia sono attivi il centro CATANA a Catania e il CNAO a Pavia che effettuano il trattamento delle patologie oculari. È di prossima attivazione a Praga il centro ELI-MED, basato su un acceleratore laser-driven che raggiungerà un’energia di 70 MeV, rendendo il centro adatto alla cura delle patologie oculari al pari dei centri già attivi. I dati analizzati in questa tesi sono stati acquisiti con DoPET presso il centro di CATANA. DoPET è un prototipo di tomografo planare sviluppato dal Dipartimento di Fisica "E. Fermi" dell’Università di Pisa e dalla sezione di Pisa dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare. Il prototipo è basato su due teste rivelatrici, composte ciascuna di nove moduli identici, per una superficie sensibile totale di circa 16 × 16 cm 2 . Ogni modulo è composto da uno scintillatore di LYSO segmentato in 23 × 23 cristalli di 1.9 × 1.9 × 16 mm 3 ognuno, con un pitch di 2 mm. A questi sono connessi dei PS-PMT Hamamatsu H8500 e l’elettronica di front-end. I dati acquisiti da DoPET vengono elaborati tramite un algoritmo ML-EM, ricostruendo un’immagine di 100 × 160 × 160 mm con voxel di 1 mm^3 , assegnando agli assi z la direzione del fascio, x la direzione ortogonale alle due teste, y la direzione parallela alle teste. I dati acquisiti presso il centro CATANA sono relativi ad acquisizioni con fasci monoenergetici di protoni da 60 MeV e fasci SOBP di energia massima 60 MeV, ottenuti per mezzo di una ruota di spessore variabile, irraggiando un fantoccio di PMMA. Si sono sfruttati i dati acquisiti dopo la fine dell’irraggiamento (beam-off) per caratterizzare la risposta di DoPET in termini dell’energia massima del fascio di protoni e della dose rilasciata al fantoccio. Per prima cosa si è verificata la capacità di DoPET di misurare l’energia massima del fascio di protoni. Per far questo, per ogni acquisizione è stato costruito il profilo di attività 1D selezionando una ROI (region of interest) nelle varie slice (piano xy) dell’immagine ricostruita, calcolandone la media e plottandola in funzione della profondità di penetrazione del fascio nel fantoccio (direzione z). 1Per determinare l’energia massima del fascio si è calcolata la larghezza del profilo di attività ∆W. Una error function ben riproduce i dati sperimentali: questa funzione è stata utilizzata per determinare il 50% o il 30% dei profili prossimali e distali. Per tutti gli irraggiamenti il profilo prossimale cresce molto rapidamente permettendo di calcolare sempre il valore del 50% del profilo di attivazione. Per i profili distali si è osservata una diversa rapidità di decrescita tra irraggiamenti con protoni monoenergetici e fasci SOBP. In questo ultimo caso si è ricorsi alla determinazione del 30% del profilo distale. Nel seguito ∆W 50 − 50 indica che è stato calcolato il 50% sia nel profilo prossimale, sia nel profilo distale, mentre ∆W 50 − 30 indica che è stato calcolato il 50% del profilo prossimale e il 30% in quello distale. Inizialmente si è verificato che la profondità di attivazione così misurata non sia influenzata dalla dose e dalla posizione relativa tra le teste e il fantoccio. Tenendo costante il dose rate e la dose, si è traslato il fantoccio sia di 7 mm lungo z, con passi di 1 o 2 mm, sia tenendo il fantoccio centrato rispetto all’asse y, sia traslandolo di 9 mm lungo questo asse. In ogni set di dati la differenza tra la massima e la minima ∆W 50 − 30 misurata è risultata compresa tra 0.40 e 0.60 mm, dando una stima della precisione ottenibile utilizzando DoPET visto che la profondità dell’attività non deve variare. Questa misura può essere confrontata con il valore della variazione attesa della profondità di attivazione a diverse energie; infatti la differenza attesa tra la profondità misurata di un fascio di 60 MeV e uno di 59 MeV è di 0.79 mm; si può pertanto concludere che DoPET è in grado di osservare variazioni dell’energia del fascio di circa 1 MeV rispetto al fascio di 60 MeV. Si è poi confrontata la ∆W 50−50 misurata nel caso di una acquisizione sperimentale con un fascio monoenergetico di 60 MeV e della sua corrispondente simulazione Monte Carlo, ottenendo una differenza di circa 0.1 mm, dimostrando una buona capacità del codice Monte Carlo FLUKA di riprodurre, e quindi anche di predire, la profondità del volume attivato. Successivamente si sono analizzati dati acquisiti giustapponendo in uscita all’acceleratore dei range shifter di PMMA in modo da ridurre l’energia massima presente nel fascio, utilizzando ancora fasci SOBP. Si sono quindi misurate le quantità ∆W 50 − 30 e come precedentemente descritto e si sono calcolate le differenze tra le quantità misurate senza e con i vari range shifter, in modo da correlare le quantità misurate con gli spessori dichiarati per i range shifter stessi, trovando una correlazione molto buona: entro 1 mm. Si è poi studiata la risposta di DoPET a differenti dosi per fasci SOBP a tempo di irraggiamento costante. Per far questo studio si è integrata l’area del profilo 1D della regione attivata del fantoccio al variare della dose, fittando i risultati ottenuti con la funzione e Area = A 2 Dose[Gy], ottenendo un coefficiente di determinazione di 0.9998. Questa misura dà una dimostrazione della capacità di DoPET di fornire una misura indiretta del numero totale di protoni inviati sul fantoccio. Si può pertanto concludere che si è dimostrata la capacità di DoPET di misurare l’energia massima del fascio di protoni indipendentemente dalla dose e dalla posizione relativa tra fantoccio e teste e la linearità della risposta di DoPET a differenti dosi permettendo anche una stima del numero di protoni inviati. Il confronto con la simulazione Monte Carlo ha confermato ulteriormente le capacità predittive del codice Monte Carlo FLUKA. La capacità di valutare a fine irraggiamento il numero di protoni inviati e la loro energia massima sono delle caratteristiche utilizzabili per la caratterizzazione di nuovi sistemi di accelerazione che producono i protoni necessari ad un trattamento in pochi ps