Caratterizzazione di un fascio di protoni da 62 MeV con un rivelatore a pixel di silicio

 Caratterizzazione di un fascio di protoni 

da 62 MeV con un rivelatore a pixel di 

silicio

Relatore:      Candidato:

   

Scopo del lavoro

Proporre  un  sistema  alternativo  per  la 

caratterizzazione 

geometrica 

e 

dosimetrica  di  un  fascio  di  protoni 

utilizzato in ambito clinico.

Le radiazioni ionizzanti

Radioterapia:

Trattamento di cellule cancerose  attraverso l'uso di radiazioni ionizzanti

Convenzionale

Adroterapia

● Elettroni ● Fotoni Particelle cariche pesanti,  ad esempio protoni o ioni 

   

Le radiazioni ionizzanti

Grandezze di fondamentale interesse in radioterapia:

●

 Dose: energia media impartita ai tessuti per unità di massa

Unità di misura: Gray

_1Gy=1

J

kg

●

 Dose equivalente: dose moltiplicata per un fattore di ponderazione 

specifico della particella ionizzante

  A parità di dose somministrata, l'effetto biologico è diverso a  seconda della particella ionizzante Fotoni ed elettroni 1 Protoni 5 Particelle alfa e nuclei pesanti      20 L'effetto biologico è lo stesso a parità di dose equivalente  somministrata

Le radiazioni ionizzanti

Elettroni : energia 5­20 MeV Tumori superficiali Fotoni: energia 4­25 MV      Tumori in profondità Protoni:      energia  60­250MeV  Tumori in profondità piccoli e

   

Centro di AdroTerapia CATANA

In Italia, il primo ed attualmente unico centro di adroterapia è il 

centro CATANA. In questa sede vengono trattati melanomi 

oculari mediante un fascio di protoni dall'energia compresa fra 

i 60 e i 70 MeV. Il fascio è ottenuto accelerando i protoni 

mediante un ciclotrone superconduttore.

Centro di Adroterapia CATANA

Linea del fascio : 1) “Scatterer system”

All'uscita del ciclotrone, il  fascio si presenta come un  pennello di protoni paralleli  distribuiti secondo una  gaussiana larga circa 2mm  nelle due direzioni spaziali Attraverso il sistema di  diffusione la lunghezza del  profilo della sezione  trasversale del fascio viene 

   

Centro di Adroterapia CATANA

Linea del fascio : 2) “Modulator & Range Shifter”

“Range shifter” o modulatore  di percorso: diversi spessori di   perspex variano l'energia del  fascio, spostando il picco di  Bragg in un range di profondità  da 0mm a 30mm in acqua. “Modulator” o diffusore  rotante: allarga il picco di Bragg   fra 15mm e 30 mm in acqua.

Centro di Adroterapia CATANA

Effetto dei modulatori di 

percorso sul picco di Bragg 

Effetto del diffusore rotante sul  picco di Bragg 

   

Centro di Adroterapia CATANA

Linea del fascio : 3) “Monitor chambers”

Le camere monitor vengono  utilizzate per il monitoraggio  on­line della dose fornita al  paziente

Centro di Adroterapia CATANA

Sistema di caratterizzazione geometrica e dosimetrica del fascio

● caratterizzazione geometrica: lastra di GAF cromico scansione del fascio tramite diodi ● caratterizzazione dosimetrica: camere a ionizzazione ­ rielaborazione off­line ­ lunghi tempi di acquisizione

Attraverso il sistema di rivelazione MPX2MXR è possibile ottenere 

un'immagine del fascio in pochi secondi e visualizzarla direttamente 

sul monitor posto nella sala di controllo, permettendo un'analisi on­line 

delle caratteristiche geometriche e dosimetriche del fascio.

   

Schema del sistema di rivelazione

●

  sensore di silicio di spessore 300 um, 

suddiviso in 256x256 pixel da 55x55 um

2 ●

 chip di lettura MPX2MXR,

progettato e costruito al cern nell'ambito della collaborazione  Medipix2 di 15 istituzioni europee e americane

Schema del chip MPX2MXR

256X256 pixel quadrati di 

lato pari a 0.055 mm

Superficie sensibile totale: 

19.8 mm

2

   

Schema di una cella di lettura

L'interazione all'interno del silicio porta alla formazione di coppie elettrone­ lacuna che migrano verso i rispettivi elettrodi grazie alla presenza di un campo  elettrico applicato ai capi del rivelatore. La carica raccolta in ogni pixel viene  poi convertita in un segnale di tensione passando attraverso un  preamplificatore (CSA) e confrontata con una soglia minima (THL) e una  soglia massima (THH) all'interno di un comparatore a doppia soglia; un  contatore a 13 bit viene incrementato nel caso in cui il segnale cada all'interno  della finestra.

Simulazione MonteCarlo

Geant4: piattaforma di lavoro che permette di simulare il 

passaggio di particelle attraverso la materia.

Simulazione del deposito di energia nel sensore di silicio: ● Fascio di protoni: monoenergetico, 62 MeV; paralleli all'asse X; ● Sensore: Parallelepipedo di 0.3x14x14 mm3,  dove 0.3 è lo spessore; materiale Silicio;

   

Simulazione Monte Carlo

1) Distribuzione del deposito di energia nello spessore di silicio:

Energia media depositata:

580 keV

Simulazione Monte Carlo

   

Simulazione Monte Carlo

3) Simulazione della segmentazione del rivelatore:

Read Out Geometry

4) Estrazione delle informazioni relative al fascio di protoni, in 

particolare delle distribuzione dell'energia e degli impulsi dei protoni:

esecuzione dell'esempio “Hadrontherapy” della sezione Advanced 

Simulazione Monte Carlo

5) Simulazione dell' immagine della sezione trasversale del fascio:

L'energia rilasciata all'interno di ogni pixel della Read Out Geometry è   confrontata con un valore di soglia; se l'energia supera il valore di soglia, il  contatore relativo a quel pixel viene incrementato dando luogo alla matrice  dei conteggi.

   

Sensore

Substrato di silicio spesso 0.3 mm drogato 

n sul quale sono stati 

effettuati degli impianti

 p

+

 _{in modo da formare una matrice di} 

256x256 pixel.

Ogni pixel è una giunzione p

+

_{­n ai cui capi viene applicata una} 

tensione di polarizzazione inversa.

La tensione di polarizzazione viene applicata tramite un multimetro 

digitale.

   

Sensore

Ricerca della tensione di svuotamento

Tensione di svuotamento: 50 V  Corrente di leakage: ● Correnti di superficie; ●Portatori minoritari di carica  che vengono attratti dai  rispettivi elettrodi; ●Coppie elettrone­lacuna  formate per agitazione termica; ●Portatori maggioritari di carica  che riescono a superare la  barriera di potenziale in  prossimità della giunzione

Chip di lettura MPX2MXR

Le quantità di immediato interesse per l'acquisizione delle immagini sono  THL e THH che definiscono la finestra entro cui deve cadere il segnale di  carica raccolta per incrementare il contatore  Attraverso il software Pixelman, sviluppato a IEAP di Praga, è possibile  impostare i valori di THH e di THL, indicati come VthL e VthH, e tutti i valori 

   

Calibrazione del sistema MPX2MXR

Valori di VthH e di VthL definiti in DAC  Calibrazione in energia del range di variazione dei DAC VthL e VthH.  Il sistema è stato utilizzato in modalità di singola soglia, quindi la  calibrazione è stata effettuata solo per il DAC VthL. Il range di variazione dipende dal valore del DAC Vthc Tre calibrazioni del DAC VthL per tre diversi valori di VthC

Calibrazione del sistema MPX2MXR

● Impulsi di tensione inviati sulla capacità test all'ingresso del  preamplificatore (CSA) ● Sorgente radioattiva di Cadmio che emette fotoni principalmente di 22 keV Si è costruita la curva di calibrazione fra l'ampiezza dell'impulso test  e il valore di DAC VhtL: poi,  utilizzando la sorgente radioattiva di  Cadmio, è stata ottenuta la curva di calibrazione DAC­energia.

   

Calibrazione del sistema MPX2MXR

Curva di calibrazione Voltaggi­DAC

1000 impulsi da 0.2 V su ogni pixel,  per ogni valore di DAC Valore di DAC VthL  corrispondente a 0.2 V

    Punto di associazione Energia­DAC tramite l'uso della sorgente radioattiva di  Cadmio Retta di calibrazione Energia­DAC, Vthc 6 y(keV)=131­0,152*DAC range [17,131] keV Tramite lo stesso procedimento sono state ottenute le rette di calibrazione  per tre diversi valori di Vthc

Calibrazione del sistema MPX2MXR

Set up sperimentale

MEDIPIX2 _{uscita del fascio} collimatore Primo test beam  collimatore doppio foro, diametro 5 mm

Due test beam effettuati nella facility CATANA presso i Laboratori 

Nazionali del Sud, INFN­ Catania

   

Primo test beam

Confronto del numero dei conteggi fra Medipix2 e sistema a 

contatore basato su scintillatore YAP 

Abbiamo riscontrato il valore di 1,6  eventi al secondo su un  pixel, per ogni pA di corrente di fascio, con un errore del 4%. Abbiamo anche verificato che i conteggi scalano: ­ linearmente con la corrente di fascio ­ linearmente con la superficie irraggiata

Primo test beam

scelta del punto di lavoro

misure effettuate fissando  la soglia del comparatore  Effetti di saturazione del  preamplificatore: regime lineare fino a 85ke­;  580keV equivalgono a 161ke­,  quindi il preamplificatore lavora in  saturazione

   

Risposta del sistema al variare 

della dose

risposta lineare e indipendente  dal rateo di dose, anche oltre il  dose rate clinico di 15 Gy/min Fit lineare attraverso il “Fitting tool di Matlab” che implemeta l'algoritmo del  Minimo Chi Quadro: coefficiente di correlazione lineare r=0.99

Linearità della risposta al 

variare della dose e 

indipendenza dal rateo di 

dose 

conteggi paragonabili

Risposta del sistema al variare 

della dose

   

Risposta del sistema al variare 

del tempo di esposizione

 Rateo di dose fisso 6 Gy/min

Curva ottenuta dai dati acquisiti durante il primo turno di presa dati. Coefficiente di correlazione lineare r=0.99

Ipotesi di danno da radiazione

● Sensibile calo dei conteggi;

● Strutture nell'immagine 

nonostante irraggimento uniforme;

   

Immagini della sezione trasversa 

del fascio

Sono state acquisite immagini utilizzando diversi spessori di PMMA per  misurare la variazione della zona di penombra  La penombra è definita come la distanza fra l'80% e il 20% del profilo normalizzato al  massimo    0mm    5mm 10mm     15mm   20mm   25mm Immagini acquisite con un collimatore di ottone a singolo foro dal diametro di 5 mm;  dose nominale somministrata : 30 cGy; rateo di dose fisso : 7.8 Gy/min.

Simulazione della sezione 

trasversa del fascio

   0mm    5mm 10mm     15mm   20mm   25mm

Immagini ottenute inviando 200milioni di protoni sul volumeSensore preceduto 

   

Profili della sezione trasversa

PMMA 0mm 5mm 10mm

PMMA 15mm 20mm 25mm

Confronto della penombra

Differenze : ● Nella simulazione si sono trascurati i  fenomeni di backscarttering da parte  del bunp­bonding e dell'elettronica  sottostante; ● Nella simulazione non è stato  possibile verificare il fenomeno della  divisione di carica, accentutato per  spessori elevati di PMMA

   

Sezione trasversa del fascio, 

collimatore da 25 mm di diametro

Immagine del fascio ottenuta mediante 

scansioni del rivelatore ( 9 step) :

­ 708x704 pixel 38.94x38.72 mm2 ­ dose nominale: 30 cGy ­ dose rate : 45.2 Gy/min

Conclusioni (1) 

● linearità della risposta al variare della dose somministrata ● linearità della risposta al variare del tempo di esposizione ● indipendenza della risposta dal dose rate, ben oltre dose rate  clinici di 15 Gy/min

Il sistema di rivelazione Medipix2 risulta un buon candidato per il 

monitoraggio on­line di un fascio di protoni da 62 MeV utilizzato per il 

trattamento di melanomi oculari.

   

Conclusioni (2)

Limiti del sistema:

● Danno da radiazione dopo irraggiamento da 40 Gy Ipotesi non ulteriormente indagata ● Divisione di carica fra i pixel E' in costruzione un nuvovo sistema di rivelazione, Medipix3, in cui l'architettura del sistema di lettura riduce gli effetti della divisione di carica ● Dimensioni limitate E' disponibile una versione del sistema di superficie quadrupla ottenuta affiancando quattro sistemi di rivelazione estendendo la superficie sensibile  ad un quadrato di 28x28mm2