Sorgente compatta per NCT

Sintesi del lavoro svolto

Bologna, 22/04/2004

• Neutron source: coaxial neutron generator

• 30 cm diameter, 15 cm height • Scopo: ottimizzazione del

moderatore/collimatore

1) Massimizzare il flusso neutronico in uscita

2) Spettro energetico epitermico in uscita

3) Minimizzare le componenti di dose

indesiderata (fotoni, neutroni veloci, fughe di

neutroni dal collimatore)

Caratteristiche collimatore (prima versione)

y

z x

AIR

Pb

Fe

FluentalBi

WATER PHANTOM

LITHIATED POLYETHYLENE

• Fe thickness: 20 cm

• Fluental thickness: 30 cm

• Pb reflector: 30 40 cm behind the source

• Additional Fe near the source

• Polyethylene thickness: 5 cm or 6 cm

• Collimator shape: conical or rectangular

Caratteristiche collimatore

e parametri modificati per l’ottimizzazione

Caratteristiche collimatore (seconda versione)

y

z x

AIR

Pb

Fe

FluentalBi

WATER PHANTOM

LITHIATED POLYETHYLENE

Fe

FeFe

Fe Fe

Parametri di ottimizzazione

1) Omogeneità del fascio nell’area di uscita delineata (25x25 cm2), bassa dose nell’area esterna

• Tally chieste dentro il fantoccio ad acqua, a partire da 0.5 cm di profondità: parallelepipedi di spessore 0.5 cm (lungo l’asse y), dimensioni

laterali 4x2 cm, lungo l’asse x e lungo l’asse z

• Mappatura in campo e fuori campo di: - Neutron (fast, epithermal [0.4 eV- 10 keV], thermal) and

photon fluence

- Biological dose (Gy-Eq) due to photons and collimator (undesired) and other elements (neutrons coming straight from the beam, phantom backscattering)

Parametri di ottimizzazione

2) Parametri liberi del fascio (valori medi)

• Corrente Jepith e flusso epith, dose da neutroni

veloci Df, dose gamma D, Df / epith, Depith,

Jepith/epith

3) Figures of merit in ADAM phantom (*)

• Profilo di dose nel fegato e valutazione dei

diversi contributi: da H, N, 10B e da gamma (H

neutron capture) (*) courtesy of ENEA Sez. Bologna group

Risultato ottimale:

1) Pb reflector: ? (variazioni entro il 2% fra 30 e 40 cm, ma peso della struttura molto maggiore)

2) 5 cm lithiated polyethylene

3) Conical collimator shape

4) Additional Fe near the source

Neutron and Photon fluence in the water phantom (depth 0.5 cm) along the axes (x,z) - conical collimator - shielding 5 cm

0,00E+00

1,00E-05

2,00E-05

3,00E-05

4,00E-05

5,00E-05

6,00E-05

7,00E-05

x = 0 x = 14 x = 17 x = 21 x = 27 x = 35.5 x = 45.5 x = 56 z = 9 z = 15 z = 19

distance from the centre of the beam (cm)

tally

/so

urc

e p

arti

cle

photon

fast n

epitherm n

thermal n

Risultati ottenuti con la migliore configurazione disponibile.

1) Omogeneità del fascio, bassa dose nell’area esterna al fascio – Fluenza di neutroni e fotoni

fuori fascio fuori

fascio

Risultati ottenuti con la migliore configurazione disponibile.

1) Omogeneità del fascio, bassa dose nell’area esterna al fascio – Dose biologica

Biological dose in water phantom (Gy-eq)(depth 0.5 cm) along the axses (x,z) - conical collimator - shielding 5 cm

0.000

0.100

0.200

0.300

0.400

0.500

0.600

0.700

0.800

0.900

1.000

x = 0 x = 14 x = 17 x = 21 x = 27 x = 35.5 x = 45.5 x = 56 z = 9 z = 15 z = 19

distance from the centre of the beam (cm)

photon

collimator

other

fuori fasciofuori

fascio

Risultati ottenuti con la migliore configurazione disponibile.

2) Parametri liberi del fascio (valori medi e valori di riferimento per trattamenti al cervello)

 

epith [cm-2 PS-1] 2.21E-5 [x1012] > 5E8 cm-2 s-1

Jepith [cm-2 PS-1] 1.32E-5

Df / epith [Gy cm2] 7.15E-13 < 5E-13

Depith [Gy cm2] 2.27E-13 < 3E-13

Jepith/epith0.5955 >= 0.7

Risultati ottenuti con la migliore configurazione disponibile.

Spettro neutronico in fantoccio ad acqua (profondità 0.5 cm)

Black line: x=0 cm

Blue line:

z = 9 cm

Risultati ottenuti con la migliore configurazione disponibile.

3) Figure di merito nel fantoccio ADAM e profilo di

dose nel fegato

liver segmentation

Risultati ottenuti con la migliore configurazione disponibile.

3) Profilo di dose nel fegato (fantoccio ADAM)

Biological dose components in healthy tissue - Configuration with conical collimator and shielding thickness 5 cm-

0,00E+00

2,00E-17

4,00E-17

6,00E-17

8,00E-17

1,00E-16

1,20E-16

1,40E-16

depth in trunk (cm)

Gy

-eq

/ne

utr

on

so

urc

e

total dose

hydrogen

nitrogen

boron

gamma

15 ppm in skin

10 ppm in healthy liver

60 ppm in tumour liver

Risultati ottenuti con la migliore configurazione disponibile.

3) Profilo di dose nel fegato (fantoccio ADAM)

Biological dose components in tumour tissue - Configuration with conical collimator and shielding thickness 5 cm-

0.00E+00

1.00E-16

2.00E-16

3.00E-16

4.00E-16

5.00E-16

6.00E-16

7.00E-16

8.00E-16

depth in trunk (cm)

Gy-e

q/n

eu

tro

n s

ou

rce

total dose

hydrogen

nitrogen

boron

gamma

dose healthy tissueADDR

Risultati ottenuti con la migliore configurazione disponibile.

3) Figure di merito nel fantoccio ADAM

Advantage depth [cm] 9.77

Advantage Depth Dose Rate [Gy-eq PS-1]

1.365E-16

Treatment Time [h] ?

20 140 if 1012 s-1

Therapeutic Depth [cm] 7.53 cm

Peak Therapeutic Ratio 5.51

10 Gy-eq to healthy tissue

Alcuni problemi aperti...

1) Rapporto fra dose in campo e dose fuori campo; limiti di tolleranza dei tessuti sani alla dose neutronica – studio di ulteriori “schermi biologici”, che però vanno a svantaggio dell’efficienza della macchina

2) Flusso complessivo della macchina; tempo accettabile di trattamento del paziente – problema di Berkeley: con una macchina D-T la questione sarebbe risolta

3) Profilo di dose in profondità; limite accettabile di non uniformita’ all’interno del campo – problema del trattamento del fegato in situ; possibilità di fare campi incrociati?

4) Accettabilità dei parametri liberi del fascio

In fase di studio

1) Radioprotezione – schermature

2) Ulteriori modifiche al collimatore

3) Utilizzo nella simulazione di materiali corrispondenti a quelli definitivi (Pb naurale + Sb, acciaio, AlF3 al posto di fluental)

4) Dosimetria - estensione dello spettrometro BDS alle basse energie; studio della possibilità di “sagomare” il fascio con cunei in plexiglas