DOSIMETRIA E RIVELATORI DOSIMETRIA RIVELATORI

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1 DOSIMETRIA E RIVELATORI DOSIMETRIA RIVELATORI

2 COSA E LA DOSIMETRIA MISURA DELLA DOSE AL PAZIENTE E NECESSARIO TROVARE LE MIGLIORI CONDIZIONI DI MISURA POSSIBILI: Sistemi che riproducano il corpo umano (fantocci ad acqua, antropomorfi, etc) Rivelatori che perturbino il meno possibile il campo di radiazione

3 COSA E LA DOSIMETRIA DOSIMETRIA ASSOLUTA Misura della dose erogare al paziente in Gy (J*Kg-1) DOSIMETRIA RELATIVA Misura delle caratteristiche dei fasci di radiazioni adoperati: curve di dose in profondità, distribuzioni laterali del fascio, misura dei piccoli campi, etc Verifica del TPS Verifica delle distribuzioni di dose prima di ogni trattamento Controlli di qualità Rivelatori per dosimetria assoluta Rivelatori per dosimetria relativa CARATTERISTICHE, MODALITA DI USO E TIPO DI RISPOSTA OSTANZIALMENTE DIFFERENTI NEI DUE CASI

4 PERCHE LA DOSIMETRIA? LA DOSIMETRIA (ASSOLUTA E RELATIVA) E E FONDAMENTALE PER Calcolo delle Unità Monitor (e quindi della dose da erogare al paziente) Definizione dei parametri del TPS Controlli di qualità sul fascio

5 I RIVELATORI IN DOSIMETRIA Tissue equivalence (<Z> = 6, <Z/A> = 0.5 ) Linearity vs absorbed dose Independence from dose rate Independence from energy Radiation hardness Spatial resolution Small size: no perturbation of the proton fluency (Bragg-Gray theory) ALCUNE DI QUESTE CARATTERISTICHE HANNO VINCOLI PIU STRETTI NEL CASO DEI PROTONI E IONI

6 I RIVELATORI IN DOSIMETRIA Nel caso si protoni e ioni: 1. Alti gradienti di dose 2. Alta conformazionalità 3. Piccoli campi adoperati Risoluzione spaziale, energetica e resistenza più elevate

7 SVILUPPO E CARATTERIZZAZIONE DI RIVELATORI IN DOSIMETRIA E UNA NECESSITA IN RADIOTERAPIA (E PARTICOLARMENTE IN PROTONTERAPIA) DOSIMETRIA ASSOLUTA E RELATIVA CONTINUO LAVORO DI R&D La descrizione completa di ogni singolo rivelatore è impossibile

8 PROTOCOLLI INTERNAZIONALI

9 I RIVELATORI IN DOSIMETRIA Farmer Exradin Pin Point Markus Gas detector (ionisation chambers) Film detectors Solid state detectors Advanced Markus Radiographic films GAF Chromic films (MD52, EBT, ) Plastic scintillators Diamond detector TLD MOSfet Silicon diode Silicon microstrip

10 COSA FARE PER CARATTERIZZARE UN RIVELATORE? Determinazione del punto effettivo di misura Verifica delle caratteristiche di cui abbiamo parlato (dip. Dalla dose, indip. dal dose rate, etc.); Verifica delle limitazioni e introduzione di eventuali fattori correttivi; Calibrazioni finali (in tutte le condizioni in cui è necessario farle); Interconfronti con rivelatori conosciuti

11 DOSIMETRIA RELATIVA DI UN FASCIO DI PROTONI Misura delle distribuzioni del fascio -- In punti definiti e raccomandati dai protocolli -- Tutte le volte che un trattamento richiede la verifica di una distribuzione in punti particolari Misura nel caso dei piccoli campi Controlli di qualità

12 DISTRIBUZIONE DELLA DOSE IN PROFONDITA : PICCO DI BRAGG NON MODULATO PTW- MARKUS ION CHAMBER BRAGG PEAK Relative dose (% PLATEAU REGION Depth in water (mm) Range Regione iniziale a basso gradiente Rapida salita e rapidissima discesa Posizione picco FWHM Caduta distale (penombra) Rapporto picco/plateau

13 DISTRIBUZIONE DELLA DOSE IN PROFONDITA : PICCO DI BRAGG MODULATO Dose (% SOBP Z REF R res R p (10%) Depth in water (mm) Regione di modulazione Regione di modulazione Rapidissima discesa Caduta distale (penombra) Range residuo Range pratico

14 DISTRIBUZIONE DELLA DOSE IN PROFONDITA COME MISURARE UN PICCO DI BRAGG (SIA MODULATO CHE NON MODULATO)? Rivelatori ad alta risoluzione spaziale Rivelatori con un punto effettivo di misura perfettamente definito e semplicemente individuabile Rivelatori piccoli (correzioni ridotte al minimo e punto di misura più facilmente individuabile)

15 DISTRIBUZIONE DELLA DOSE IN PROFONDITA Diodo stereotassico Scanditronix Camera a ionizzazione tipo pin-point Camera a ionizzazione tipo Markus Rivelatori a diamante? Film radiocromici? Scintillatori plastici?

16 DISTRIBUZIONE DELLA DOSE IN PROFONDITA Misure possibilmente effettuate in acqua spostando il punto di misura a varie profondità e mantenendo costante la fluenza di fascio in un dato punto della linea MISURE A DOSE COSTANTE

17 DISTRIBUZIONE DELLA DOSE IN PROFONDITA Fascio Rivelatore Acqua PLATEAU REGION All elettrometro per misure in carica Per ogni posizione la fluenza (dose) è mantenuta costante

18 DISTRIBUZIONE DELLA DOSE IN PROFONDITA : MISURA DELLA FLULENZA Proton beam Ionisation, free air monitor chamber calibrated against the Markus: Sensibility: 5 pc Reprucibility: 0.5 %

19 DISTRIBUZIONE DELLA DOSE IN PROFONDITA IMPORTANZA DEL PUNTO EFFETTIVO DI MISURA: Determinazione della distribuzione di dose Determinazione della dose in un dato punto Fascio Rivelatore Acqua Stima dell errore: posizionamento manuale + sensibilità strumento di lettura della posizione della camera

20 LA CAMERA A IONIZZAZIONE MARKUS THE PTW MARKUS PLANE-PARALLEL ION CHAMBER WAS USED IN THE COMMISSIONING AS THE REFERENCE DETECTOR FOR DEPTH-DOSE MEASUREMENT IN PROTON BEAMS (ICRU 59, IAEA 398) THE DESIGN OF THE MARKUS CHAMBER 1) Active volume=0.05 cm3, 2) Electrode separation=2 mm, 3) Collector diameter=5.4 mm 4) entrance window=2.3 mg/cm2 5) Exact Location of peff. PROVIDES DEPTH-DOSE DISTRIBUTIONS WITH HIGH SPATIAL RESOLUTION AND HIGH PRECISION

21 LA CAMERA A IONIZZAZIONE MARKUS Punto effettivo di misura ) PMMA CUP IS PROVIDED TO SEAL THE CHAMBER FOR USE IN WATER ) A SPACER IS PROVIDED FOR USE IN A SOLID PHANTOM, WHICH ALSO SERVES AS A HOLDER FOR A RADIOACTIVE SOURCE FOR STABILITY CHECKS.

22 PTW- MARKUS ION CHAMBER BRAGG PEAK Relative dose (% PLATEAU REGION Depth in water (mm) CENTRE MAXIMUM RANGE (mm) EQUIVALENT ENERGY (MeV) PEAK PLATEAU RATIO F.W.H.M. (mm) Distal-dose falloff d 90%-10% (mm) CATANA CCO^ PSI^

23 DIODO p-type SCANDITRONIX Markus LNS Scanditronix LNS Diode 80 Relative Dose (% Depth in water (mm) CYLINDRICAL MINIDIODE SPECIFICATIONS Detector Material: Hi-pSi, high doped p-type silicon (preirradiated for use in proton beams). Detector diameter: 0.6 mm (t = 60 µm)

24 DOSIMETRIA IN PMMA Fascio Rivelatore Aggiungendo spessori di PMMA si ricostruisce il picco di Bragg Spessori di PMMA

25 DOSIMETRIA IN PMMA Fascio Diodo Ruota di PMMA con spessori variabili

26 DIVERSE REGIONI DI MODULAZIONE ED ENERGIE mm SOBP RS 1.8 mm Relative Dose (%) mm SOBP RS 14 mm 11 mm SOBP RS 10 mm Depth in water (mm) MODULATOR RANGE SHIFTER MODULATION (SOBP) (mm eye tissue) DISTAL-DOSE FALLOFF (1) d 90%-10% (mm eye-tissue) DISTAL-DOSE FALLOFF (2) d 80%-20% (mm eye tissue) MAXIMU M DOSE IN SOBP % BEAM RANGE (90% DISTAL) (mm eye-tissue) MOD: 000/00 RS: 14 mm MOD: 010/02 RS: 10 mm MOD: 009/02 RS: 1.8 mm CCO < 102

27 DIVERSE ENERGIE MA CON STESSA MODULAZIONE (15 mm) Relative Dose RS = 14 mm Depth in water (mm) RS = 10 mm RS = 2 mm

28 DISTRIBUZIONE LATERALE DELLA DOSE: PROFILO DEL FASCIO

29 DISTRIBUZIONE LATERALE DELLA DOSE: QUALI RIVELATORI? Anche qui: dosimetria in acqua o in PMMA? Diodo Scanditronix in acqua Diamante naturale in acqua (PTW) Camera Markus (PTW)

30 DISTRIBUZIONE LATERALE DELLA DOSE: QUALI RIVELATORI? RIVELATORI DI TIPO GAF-CHROMIC MD-55-2 RADIOCHROMIC FILMS POOSONO ESSERE ADOPERATI PER IL COMMISIONING tissue equivalence dose rate indipendence Linear dose response high spatial resolution E NECESSARIA SOLO UNA CURVA DI CALIBRAZIONE PER ADOPERARE LO STESSO FILM A DIVERSE PROFONDITA (Indipendenza dall energia)

31 RIVELATORI DI TIPO GAF-CHROMIC

32 RIVELATORI DI TIPO GAF-CHROMIC

33 RIVELATORI DI TIPO GAF-CHROMIC Relative dos Φ = 25mm Distance from central axis (mm) EXPERIMENTAL SET-UP ( φ=25 mm) SOBP (WIDTH) H L 95% (mm) S r% (simmetry) R t% (flatness) Lateral penumbra (mm) d 80%-20% MOD: 000/00 RS: 14 mm MOD: 010/02 RS: 10 mm 14 mm z irr. =7 mm 10 mm z irr. = 12 mm < 3% < 3% < 2% < 3% 1.30 MOD: 009/02 RS:1.8 mm 20 mm z irr. = 14 mm < 3% < 3% 1.15 CCO CAL 18 z irr. = ½ SOBP 18 z irr. = ½ SOBP < 3%

34 DISTRIBUZIONE LATERALE DELLA DOSE: QUALI RIVELATORI? Diodo MD55 X-OMAT V 80 N.O.D. % X Axis (Water m m ) MOD 010/02 RS:10 MM z irr. =12 mm Lateral penumbra (mm) d 80%-20% (mm) H L 95% S r% (simmetry) XV meno pratici dei GAF KODAK XV MD

35 DISTRIBUZIONE LATERALE DELLA DOSE: QUALI RIVELATORI? Anche nel caso delle distribuzioni laterali si deve trovare un compromesso tra la precisione della misura e la rapidità I GAF (e i film in generale) vengono sostituiti con un sistema più rapido per il check routinario dei fasci durante i trattamenti) Per esempio: semplice diodo non polarizzato che in aria riproduce il profilo del fascio

36 LA DOSIMETRIA RELATIVA PRIMA PER LA VERIFICA PRIMA DEL TRATTAMENTO BEFORE EACH TREATMENT PERIOD TREATMENT DEPTH DOSE PROFILES HAVE TO BE VERIFIED. TO VERIFY RANGE MODULATION AND MAXIMUM RANGE OF THE BEAM DEPTH-DOSE MEASUREMENT WHEEL (CCO DIODE SCANNER) TOLERANCES 1) [(MEASURED RANGE) / (REQUIRED RANGE)]: ±0.2 mm 2) [(MEASURED MODULATION) / (REQUIRED MODULATION)]: [ -0.1 mm // +0.9 mm ]

37 LA DOSIMETRIA RELATIVA PRIMA PER LA VERIFICA PRIMA DEL TRATTAMENTO

38 LA DOSIMETRIA RELATIVA PRIMA PER LA VERIFICA PRIMA DEL TRATTAMENTO BEFORE EACH TREATMENT PROTON BEAM PROFILES AT ISOCENTRE ARE TO BE CHECKED IN AIR X-Y DIODE SCANNING COMPUTER CONTROLLED DEVICE PLANNED TOLERANCES 1) LATERAL PENUMBRA (d80%-20%) 1.50 mm 2) BEAM SIMMETRY (Sr ) 3% 3) BEAM FLATNESS: Rt% 3% 4) FIELD RATIO: H 0.90

39 LA DOSIMETRIA RELATIVA PRIMA PER LA VERIFICA PRIMA DEL TRATTAMENTO

40 LA DOSIMETRIA RELATIVA PER IL COMMISSIONING DEL TPS

41 LA DOSIMETRIA RELATIVA PER IL COMMISSIONING DEL TPS

42 CONFIGURAZIONI DI MISURA Dose Markus Chamber Depth in water (mm) CCO Diode BPW34l Depth in Eye Tissue (mm) Detector placed at isocenter on a special table mounted on the treatment chair

43 RIVELATORI PER DOSIMETRIA RELATIVA ) Film Kodak: XV and EDR2 2) TLD 3) Radiochromic Film 4) Scanditronix Diode 5) PTW Natural Diamond 6) Mosfet

44 RIVELATORI A FILM GAFCHROMIC EBT Configuration CLEAR POLYESTER - 97 microns ACTIVE LAYER - 17 microns SURFACE LAYER - 6 microns ACTIVE LAYER - 17 microns CLEAR POLYESTER - 97 microns 1) Transmission densitometer 2) Colour scanner

45 RIVELATORI A FILM GAFCHROMIC EBT GAFCHROMIC HS OLD: HS ISP NEW: EBT ISP Absorbance RESPONSE ENHANCED BY MEASUREMENT WITH RED LIGHT Wavelength, nm EBT EPSON flatbed color scanner

46 RIVELATORI A FILM: DIPENDENZA DALLA DOSE E DALL ENERGIA 3,0 3,0 2,5 2,5 N.O.D N.O.D 2,0 2,0 1,5 1,5 1,0 1,0 0,5 0,5 y y = x x R 2 2 = y y = x x R 2 2 = Full Full energy energy (62MeV), (62MeV), Rres.=28.9 Rres.=28.9 mm mm Modulated Modulated Beam Beam (Rres.= (Rres.= mm) mm) 0,0 0, DOSE DOSE (Gy) (Gy)

47 RIVELATORI A FILM: DIPENDENZA DALLA DOSE E DALL ENERGIA Calibrazione Calibrazione Protoni Protoni MeV MeV N.O.D N.O.D 0,9 0,9 0,8 0,8 0,7 0,7 0,6 0,6 0,5 0,5 0,4 0,4 0,3 0,3 0,2 0,2 0,1 0, Dose (cgy) Dose (cgy) EBT GAF EPSON flatbed color scanner RED CHANNEL

48 EDR2 Kodak 4 N.O.D. 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 y = -8E-10x 3-4E-07x 2 + 0,0047x - 0,0415 R 2 = 0, Dose (cgy) The linear region of the calibration curves covers the same dose range (0.5 5 Gy) for all energies (RRES.) tested (from Ep,eff 62 MeV up to Ep,eff 24 MeV ) N.O.D. 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Calibration curve of EDR2 for 62 AMeV proton beam Full Energy 62 MeV Range Res=7.2 mm H2O Range Res=15 mm H2O Dose (cgy)

49 1.400 DON R 2 = FIPS PTW (633 nm) HS GafChromic Film Dose (Gy) 5,00 4,50 4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 Full energy (60MeV) Modulated (Rres. = 1.2 cm) DOSE (Gy)

50 RIVELATORI A FILM gaf edr2 Y(mm) Collimator used for the treatment 15 X(mm) Differences between isodoses measured using Gafchromic films and radiographic films are < 1.5 mm

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52 RIVELATORI A DIAMANTE (NATURALI E SINTETICI) PROPRIETA DIAMANTE SILICIO Gap [ev] Campo di rottura [V/cm] Hole mobility [cm 2 /Vs] Velocità di saturazione [cm/s] Mobilità elettronica [cm 2 /Vs] Vita media dei portatori minoritari [s] Costante dielettrica ε r Numero atomico effettivo Z eff 6 14 Energia per creare un coppia elettrone-lacuna [ev] Energia di Wigner [ev] Low dark current Fast responce time Tissue equivalence Radiation hardness

53 RIVELATORE CVD (De Beers e locali ) De Beer s diamond sample with two bonding solution

54 RIVELATORE NATURALE (PTW) 20 mm 7.3mm Sensitive area: 4.3/4.5 mm 2 Sensitive volume: 1.3/1.4 mm 3 Thickness of sensitive volume: Operating bias: 0.30/0.31 mm 100 V In photon and electron beams the relative differences have been studied and already published (see De Angelis C et al. Med. Phys. 2002; 29(2): ) In proton beams the measured repeatibility is 0.1%

55 RIVELATORI A DIAMANTE (NATURALI E SINTETICI) Comportamenti strani in funzione del pre-irraggiamento 1,2 PTW DIAMOND PREIRRADIATION Sensitivity [a.u.] 1,1 1 0,9 0,8 Protoni, 62 MeV Foton 6 MV Elettroni 6 MeV 0,7 0, Dose [Gy] Preirradiation recipe is different for the two detectors

56 RIVELATORI A DIAMANTE (NATURALI E SINTETICI) Comportamenti strani in funzione del pre-irraggiamento 2,5 CVD Preirradiation with protons 2 1,5 Charge[u.a] 1 0, Dose [Gy]

57 RIVELATORI A DIAMANTE IN CONFIGURAZIONE ON-LINE CVD Current [na] Bias [V] Current [na] Diamante Naturale Bias [V]

58 RIVELATORI A DIAMANTE PTW Diamond Linearity (protons, photons, electrons) Protoni Fotoni 6MV Elettroni, 25 MeV Charge[nC Dose (Gy)

59 RIVELATORI A DIAMANTE Bragg Peak Measurements 5 4,5 Markus chamber 4 3,5 Ionization [a. 3 2,5 2 PTW Diamond 1,5 1 0,5 0 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 40,0 Depth in water (mm)

60 RIVELATORI A DIAMANTE Bragg Peak Measurements 4,5 4 Markus 3,5 Ionization [a.u.] 3 2,5 2 1,5 CVD Diamond 1 0, Depth in water [mm]

61 RIVELATORI A DIAMANTE: DIPENDENZA DAL DOSE RATE Current [A] x 10-7 Photons 6MV Electrons 15MeV 0.4 Se=19.35nA/(Gy/min) Ie=0.1935(*10e-7)Dr Sf=20.35nA/(Gy/min) If=0.2035(*10e-7)Dr Dose Rate [Gy/min] Normalized Charge Photons 6 MV Electrons 15 MeV Dose rate (Gy/min) Fitting our experimental data with the semi-empirical formula: Beam Autor Detector I = I dark + RD r Photons 6 MV This work CVD Diamond Electrons 15 MeV This work CVD Diamond X-Ray 250 kv S. Ramkumar (2001) CVD Diamond 0.79 Photons 20 MV Laub U., 1997 Natural Diamond Electrons 20 MeV Laub U, 1999 Natural Diamond Photons 20 MV Planskoy B. Natural Diamond 0.98

62 RIVELATORI A DIAMANTE: DIPENDENZA DALL ENERGIA Dose dependence at different depths in a Bragg peak S max =5%

63 RIVELATORI A DIAMANTE: DIPENDENZA DALL ENERGIA Calibration coefficient (nc/cgy) at the various depth

64 RIVELATORI A TLD Calibrazione preliminare dei Dosimetri - Dosimetri: batch 100 TLD-100 µ-cubi (1x1x1 mm 3 ) e batch 100 TLD-100 (3x3x0.4 mm 3 ) - Annealing: ricetta standard - Fattore di sensibilità (ECC) 5 MV Alloggiamento 4 µ-cubi Fantoccio H 2 O PTW Calibrazione preliminare in acqua in fascio X da 5 MV fino a 15 Gy, c/o l Unità di Radioterapia dell Az.Policlinico di Catania Configurazione sperimentale d irraggiamento

65 RIVELATORI A TLD Calibrazione in fascio di protoni Fantoccio perspex Alloggiamento TLD I dosimetri sono stati calibrati successivamente ai LNS in fascio modulato e non modulato Segnale TL (nc) Protoni (non modulato) y = x x R 2 = MV y = x x R 2 = 1 Protoni (modulato) y = x x R 2 = Spessori perspex

66 RIVELATORI A TLD Segnale TL (nc) 1400 Protoni (non modulato) y = x R 2 = MV y = x R 2 = Protoni (modulato) y = x R 2 = Confronto calibrazione in zona linearità Dose (cgy) I dosimetri sono stati utilizzati per la caratterizzazione dei profili trasversali di dose Fantoccio in perspex per profili trasversali di dose

67 RIVELATORI A TLD Confronto Profili del fascio non modulato W50% (mm) Penombra Dx (mm) Penombra Sx (mm) 90% / 50% X TLD Y TLD Signal % Film X Microcubes X Distance from the centre (mm) X film Y film Film Y Microcubes Y Sig nal % Distance from the centre (mm)

68 RIVELATORI A TLD Picco di Bragg ricostruito con i TLD Seg n a le n o rm a lizza to a ll'in g resso TLD-100 (3x3x0.4mm) CCO Diode BPW34 Camera Markus Profondità in PMMA (mm)

69 RIVELATORI A TLD Signal normalized at 16 mmeye T TLD-100(3x3x0.4mm) CCO Diode BPW34l Depth in Eye Tissue (mm)

70 RIVELATORI A TLD PHANTOM & DETECTORS 0.27mm mean thickness, 7 detectorsineachset, 10 detector sets. 6 sets irradiated! in dose range Gy

71 READOUTS READOUTS (visible photo and heated) NOISE SUBTRACTION HOT PIXELS & ZERO BACKGROUND SETTINGS THICKNESS CORRECTIONING FACTORS (RELATIVE TO CALIBRATION DETECTORS) CALIBRATION (Co60 SOURCE UP TO 20Gy)

72 RIVELATORI A SCINTILLAZIONE DIODE: transversal scanning of the beam by means of a silicon diode which measures the current and displays its distribution along the two coordinates of a Cartesian system, transversal to the beam direction; GAFCHROMIC FILM: determination of the lateral dose distribution released by the beam from the darkening of an irradiated gafchromic film; both systems, though very accurate, are subject to long acquisition and processing times Acquisition time ~30 minutes Acquisition time ~24 hours

73 RIVELATORI A SCINTILLAZIONE HADRON BEAM Acquisition period ~ 20seconds SCINTILLATING SCREEN 45 acquisition and processing of the image reflected by the mirror by means of a software application implemented with LabVIEW 6.1; MIRROR CCD monitoring system of a hadron beam based on a fluorescent screen coupled with an analog CCD camera; LabVIEW

74 RIVELATORI A SCINTILLAZIONE Alumina (Al2O3) Caesium Iodide (CsI) Plastic scintillator BC 400 Alumina: poor in light efficiency; Caesium Iodide: excellent light efficiency, but scarce homogeneity; BC 400: good brightness and homogeneity; BC 400 has been chosen for our experimental purposes.

75 RIVELATORI A SCINTILLAZIONE Mirror forming 45 with the beam direction. Scintillating screen lodged on a support, perpendicularly to the beam axis. Camera forming 90 with the beam axis, framing the image reflected by the mirror.

76 RIVELATORI A SCINTILLAZIONE LabVIEW Environment Spatial calibration Cartesian reference system Calibration factor: mm/pixel Selection of the Region Of Interest

77 RIVELATORI A SCINTILLAZIONE

78 RIVELATORI A SCINTILLAZIONE

79 RIVELATORI A SCINTILLAZIONE LINEARITY SIGNAL TO NOISE RATIO SNR vs sqrt(frames) Equazion: y = A*x + B A = ± B = ± R 2 = SNR Experimental data linear FIT sqrt (frames) Linearity in the treatment range (10 20 Gy/min) Castleman says: SNR (N)= N^0.5*SNR(1) Experimental results are in good agreement with theoretical considerations

80 RIVELATORI A SCINTILLAZIONE CONTRAST SPATIAL RESOLUTION Background subtraction upgrades image contrast of a factor 2 Given: MTF = 0.3 Spatial resolution is : 2.22 mm/lp

81 RIVELATORI A SCINTILLAZIONE signal % CCD - DIODE COMPARED PROFILES diode CCD Peculiar parameters of a lateral beam profile, calculated with the two systems,are in a good agreement CCD diode ratio 0 profile ratio distance from axis (mm) X AXIS W50% (mm) H 90/50% P sx (mm) P dx (mm) CCD FRAMES DIODE DIFF.%

82 RIVELATORI A SCINTILLAZIONE

83 RIVELATORI A SCINTILLAZIONE

84 RELATIVE DOSIMETRY: silicon diode and MOSFET MOSFET e MicroMOSFET

85 SILICON DIODE SCANDITRONIX Silicon Diode Two different p-type Scanditronix detectors having the following features have been studied: Thickness: 0.06 mm Sensitive Area: 0.28 mm 2 Sensitive Volume: mm 3 Materials tickness in front of the detectors: 0.42/0.54 mm Center Distance from Detector Surface: 0.546/0.684 Both samples were preirradiated in proton beams, before shipping. Measured repeatibility (10 meas. at 4 Gy): 0.2% Sensitivity change after 300 Gy irradiation 0.7%

86 SILICON DIODE Silicon Diode Linearity with 62 MeV Proton Beam Carica (nc Dose (cgy)

87 SILICON DIODE: full energy Bragg peak The two detectors give different positions of the peak. An overestimation of the peak has been noted (up to 6%). Relative response (%) diodo LNS Markus Relative response (%) Markus Diodo ISS Depth in water (mm) Depth in w ater (mm)

88 SILICON DIODE: Spread Out Bragg Peak 1,6 1,4 Diode 1,2 Markus Ionization [a.u.] 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 Depth in water [mm]

89 RIVELATORI A MOSFET It is OK for in-vivo dosimetry MOSFET e MicroMOSFET Why a MOSFET: stable, reproducible linear vs absorbed dose dose-rate independence on-line reading temperature indipendence no fluence perturbation small size

90 RIVELATORI A MOSFET Autosense reader Dual Sensitivity Bias Supply MOSFET TN-502RD (up to 5 MOSFETs) 2 sensibility modality: High e Standard AutoSense PCSoftware V. 1.1

91 RIVELATORI A MOSFET Linearità MOSFETs vs MicroMOSFETs y = 2,1485x + 7,9625 R 2 = 1 MOSFET High Sensitivity 2500 MicroMOSFET High Sensitivity Lettura MOSFET [mv] MOSFET Standard Sensitivity y = 2,0309x + 12,708 R 2 = 0,9999 y = 0,743x + 3,8749 R 2 = 0, Dose assorbita in acqua [cgy]

92 RIVELATORI A MOSFET 1200 Signal (mv) AMeV Protons 9 MeV Electrons 15 MV Photons Good linearity in typical dose range for eye treatment Absorbed Dose (cgy) 2.5 Strong dependence of Calibration Factor with proton energy Calibration Factor (cg y/mv) Dos.3051 Dos Energy (MeV)

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94 UNO STUDIO COMUNE Output Factor All dosimeters Output Factor MOSFET TLD Diode Scanditronix GAFchromic Film MicroMOSFET Collimator diameter [mm]

95 RIVELATORI MICROSTRIP 2 ionization chambers with anode segmented in strips (x,y) anode cathode horizontal strips electronics card spacer cathode beam strips anode aluminized mylar 15µm Al 35µm kapton Sensitive area 12.8X12.8 cm 2 Total thickness ~ 200 µmh 2 O equiv. Number of strips/chamber 256 Strip width 400 µm Pitch 500 µm Readout rate up to 4 khz (1 Hz)

96 RIVELATORI MICROSTRIP x-y ion. strip chambers MOPI p beam ionization chambers

97 RIVELATORI MICROSTRIP Three different currents of the beam steering magnet a.u.

98 RIVELATORI MICROSTRIP pct: proton Computed Tomography Esperienze di prt condotte dai ricercatori del PSI su fantocci e modelli di animali hanno dimostrato che l utilizzo della conversione µ stopping power con gli attuali modelli di calibrazione porta ad una incertezza media sul range del 3% che può raggiungere i 10 mm nella testa Incertezze sul range > 5 mm > 10 mm > 15 mm Schneider U. (1994), Proton radiography as a tool for quality control in proton therapy, Med Phys. 22, 353. Alderson Head Phantom

99 RIVELATORI MICROSTRIP METHOD EQUIVALENT TO THE X-RAYS IMAGING BUT HERE THE MAIN INFORMATION IS ENERGIES OF TRAVERSING PROTONS DESPITE ATTENUATION COEFFICIENTS OF PHOTONS p E > 250 MeV Energy detector Proton Computed Tomography

100 RIVELATORI MICROSTRIP Knowledge of entry and exit energy of a proton allow the estimation of the integrated (projected) relative electron density along a path L The mean rate of energy loss is given by the Bethe-Bloch equation, written in a useful for pct: de dx () r =η () r S[ I() r E() r ] e, ( ) r ηe d r = L Integrated electron density K E E in out de S ( E) Inverse of Stopping Power Like in xct the pct image reconstruction is the inversion of right integral for the unknown electron density distribution

101 RIVELATORI MICROSTRIP BUT the exact path L in the pct in unknown due to Multiple Coulomb Scattering and only initial and final information can be measured for each proton MAIN TASK: ESTIMATION OF PROTON PATH INSIDE MEDIUM OR BETTER A MEDIUM PATH Geant4 simulation of 250 MeV protons in water THE SINGLE TRACKING APPROACH

102 RIVELATORI MICROSTRIP Tutti i prototipi attualmente sviluppati si basano sull idea di misurare singolarmente l energia e la direzione di ogni protone che attraversa un campione L Gruppo italiano e americano: rivelatori a microstrip Edi in silicio ( ) r ηe dr = K de ( E) Gruppo svizzero: S rivelatori a Eout scintillazione Studi teorici basati su calcoli analitici e di simulazioni Monte Carlo hanno mostrato che la tecnica del single tracking permette di superare il problema della bassa risoluzione spaziale e dovrebbe permettere il raggiungimento di risoluzioni dell ordine di 1 mm o inferiori.

103 RIVELATORI MICROSTRIP DATA OUT USB USB MODULO STRIP DAQ CALORIMETRO TRIGGER Single tracking Acquisition rate up to 1 MHz CALORIMETRO Detector: 2 orthogonal microstrip; 200 um picth x 256 strips; about 5x5 cm of active area Trigger from the calorimeter ( ) r ηe d r = L K E E in out de S ( E)

104 RIVELATORI MICROSTRIP First tests of the Williams analytical approach to MLPs

105 RIVELATORI MICROSTRIP 200 MeV, 179 projections at 1, 5M Histories, 20 cm circular phantom 3.3 l/cm

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