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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)
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Caratteristiche collimatore (prima versione)
y
z x
AIR
Pb
Fe
FluentalBi
WATER PHANTOM
LITHIATED POLYETHYLENE
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• 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
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Caratteristiche collimatore (seconda versione)
y
z x
AIR
Pb
Fe
FluentalBi
WATER PHANTOM
LITHIATED POLYETHYLENE
Fe
FeFe
Fe Fe
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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)
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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3) Figure di merito nel fantoccio ADAM e profilo di
dose nel fegato
liver segmentation
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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
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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
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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
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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
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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