Caratterizzazione di un dosimetro a fotodiodi per radiodiagnostica

Una frazione significativa della dose efficace annua pro-capite è dovuta alle procedure mediche, in particolare alle procedure di radiografia diagnostica. Ne consegue l’importante ruolo della dosimetria in ambito medico, sia in termini di revisione dei limiti di dose per gli addetti ai lavori, sia per l’ottimizzazione dei protocolli delle diverse procedure diagnostiche a cui i pazienti devono sottoporsi. Di recente, uno dei temi di maggiore interesse è stata la revisione del limite di dose equivalente associato al cristallino a causa dell’aumento dell’incidenza di cataratta, il quale si è abbassato da 150 mSv a 20 mSv annui. Tuttavia, molti sono i tessuti e gli organi radiosensibili che possono essere interessati da livelli di esposizione rilevanti, sia per i pazienti che per i radiologi interventisti. Da questa premessa risulta giustificato lo sviluppo di sensori di radiazioni ionizzanti dai costi contenuti e che presentino caratteristiche adeguate ad applicazioni dosimetriche, come adeguata risposta in energia, buona efficienza di rivelazione ed elevata versatilità di applicazione. Nel lavoro presentato un dispositivo a fotodiodi al silicio PIN commerciali è stato ottimizzato e caratterizzato dapprima da un punto di vista elettronico, e successivamente da un punto di vista dosimetrico. L’elettronica utilizzata è basata su un convertitore tensione-frequenza sincrono, il quale permette di acquisire ed integrare in tempo reale la corrente di ionizzazione generata dall'esposizione dei rivelatori a fasci di fotoni X (fotodiodo al silicio commerciale BPW34). Il dispositivo è stato realizzato interfacciando uno stadio di pre-amplificazione della corrente (OPA340) con un convertitore tensione-frequenza sincrono (AD7741). L’uscita del convertitore, corrispondente ad un treno di impulsi di frequenza proporzionale alla tensione di ingresso (fout=k*Vin), è stata acquisita con un frequenzimetro basato su microcontrollore (Arduino UNO/Atmel 328) opportunamente configurato e programmato. Il circuito ha dimostrato una buona reiezione del rumore ambientale grazie sia al corretto dimensionamento del primo stadio di amplificazione e conversione da corrente in tensione in termini di CMR, sia alle caratteristiche di ingresso del convertitore sincrono il quale presenta uno stadio di integrazione reale. Una prima valutazione della risposta del dispositivo è stata effettuata nel Laboratorio di Misure Nucleari del Dipartimento di Ingegneria Civile e Industriale (DICI, Pisa), utilizzando come fonte di stimolazione un LED. Il segnale di controllo del LED è stato configurato con frequenza pari ad 1 Hz e con un ciclo di lavoro variabile tra 0.01%, 0.1%, 1%, 10% e 50%, in modo da simulare le possibili durate di un tipico impulso di fotoni X durante una procedura radiodiagnostica. Dapprima è stata valutata la risposta dinamica dello stadio di pre-amplificazione agli impulsi di diversa durata monitorando gli andamenti dei segnali con un oscilloscopio (Tektronix TDS 2022C): lo stadio ha mostrato un comportamento adeguato (distorsione limitata rispetto alla forma d’onda della stimolazione) per impulsi con durata minima di 1 ms. Tale limite, dovuto alla frequenza di taglio nella risposta in frequenza dell’amplificatore, risulta adeguato in quanto raramente si ha a che fare con impulsi di fotoni X generati in radiodiagnostica con durata inferiore ai 10 ms. Successivamente il numero di conteggi ottenuti a seguito dell’integrazione (e conversione analogica-digitale) del secondo stadio è stato messo in relazione con il ciclo di lavoro del segnale di stimolazione: i conteggi cumulativi sono risultati lineari con il ciclo di lavoro, dimostrando il corretto funzionamento del dispositivo complessivo da un punto di vista elettronico. Terminata la caratterizzazione elettronica il dispositivo è stato esposto a fasci di radiazione X prodotti da diverse tecniche di radiologia diagnostica, in modo da effettuarne una caratterizzazione dosimetrica. I macchinari e le strumentazioni aggiuntive sono stati messi a disposizione dal personale dell’Azienda Ospedaliera Universitaria Pisana (Ospedale S.Chiara, Pisa). La risposta integrata (conteggi totali ottenuti a seguito dell’esposizione) si è dimostrata lineare per un’esposizione controllata al fluoroscopio (Italray) in modalità radiografica. Durante le esposizioni la tensione di tubo è stata fissata a 80 kVp, mentre il prodotto tra corrente di tubo (mA) e tempo di esposizione (ms) è stato variato, dapprima mantenendo fissa la corrente di tubo a 100 mA e variando la durata della radiazione (1, 10, 30, 60, 100 e 120 ms) e in seguito in maniera duale, mantenendo fissa la durata dell’esposizione pari ad 1 s e variando la corrente (50 mA e 100 mA). Questo ha permesso di dimostrare la linearità tra conteggi integrati e mAs; inoltre è stata dimostrata l’indipendenza della risposta rispetto al rapporto di reciprocità tra corrente di tubo e tempo d’esposizione nell'intervallo di mAs considerato. Stesse conclusioni sono state ricavate in mammografia utilizzando un mammografo (Fujifilm) a tensione costante 23 kVp e variando il prodotto tra corrente di tubo e tempo di esposizione (200 mAs, 100 mAs, 50 mAs). In seguito, il dispositivo è stato esposto ad un tomografo a fascio conico (CBCT, Planmeca Pro Max). Un sistema di fotodiodi multicanale è stato usato per valutare il livello di esposizione in 4 punti della testa di interesse clinico (orofaringe, tiroide, occhio sinistro e parotide) a seguito di procedure standard di indagine dell’arcata dentaria. I fotodiodi sono stati disposti, mediante un’ argilla tessuto equivalente a base di PVC, sulla testa di un fantoccio Alderson Rando. Sul fotodiodo predisposto a monitorare l’esposizione del cristallino è stato inoltre posto un simulacro di cornea per simulare la profondità del cristallino all’interno dell’occhio stesso. In totale sono state effettuate dodici misure a tensione e corrente variabili (60 kVp e 4-8-16 mA, 70 kVp e 4-8-16 mA, 80 kVp e 4-8-16 mA, 90 kVp e 4-8-14 mA). La sensibilità (espressa in conteggi integrati per mGy) è stata valutata per tensioni di tubo comprese tra 60 kVp e 90 kVp esponendo il dispositivo a fasci X prodotti da un fluoroscopio Italray e riferendosi ad un dosimetro a stato solido commerciale (Piranha Black, RTI Electronics), calibrato in KERMA in aria (mGy) e schermato dalla componente retrodiffusa. L’aumento del coefficiente di assorbimento del silicio al ridursi dell’energia media del fascio provoca un aumento di sensibilità. Infine, per completezza, è stata valutata la sensibilità anche alla tomografia a fascio conico (CBCT), fissando la sonda del Piranha solidalmente ai rilevatori di raggi X del C-arm; questo ha permesso di misurare l’esposizione durante la procedura in modo effettivo, ignorando gli effetti dovuti alla variazione di geometria durante la rotazione della coppia tubo radiogeno-rivelatori. I valori di tensione di tubo, corrente di tempo e tempo di esposizione sono stati gli stessi utilizzati durante le precedenti valutazioni con fantoccio Alderson Rando. Risultati preliminari suggeriscono come un livello di esposizione significativo sia a carico della ghiandola parotide (ed in misura inferiore agli altri punti della testa studiati), la quale viene effettivamente investita nella sua completezza con protocolli di CBCT che prevedono un FOV di 8 cm di altezza