CAPITOLO I - L acceleratore lineare di elettroni NOVAC7

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1 CAPITOLO I - L acceleratore lineare di elettroni NOVAC7 In questo capitolo sono riportate le principali caratteristiche costruttive dell acceleratore lineare (A.L.) NOVAC7 ed i parametri fisici che caratterizzano la qualità dei fasci di elettroni prodotti da questo acceleratore. Il sistema NOVAC7 è attualmente progettato per eseguire il trattamento radioterapico intraoperatorio IORT ed in questo capitolo sono riportate le caratteristiche di detta applicazione. La radioterapia intraoperatoria (IORT) è una tecnica di trattamento particolarmente indicata per il controllo delle neoplasie localizzate in aree anatomiche che comportano limitazioni tecniche alla chirurgia a causa della presenza di tessuti sani limitrofi alla patologia. Nella IORT viene somministrata, durante l intervento chirurgico, una dose singola elevata ( circa 10 Gy) di elettroni alla neoplasia o al letto tumorale o alle regioni a rischio di recidiva locale. Per tale motivo il NOVAC7 permette l erogazione del fascio in tempi dell ordine del mezzo minuto in quanto fa uso di elevati valori di dose per impulso. Questa caratteristica è particolarmente interessante per trattamenti che richiedono tempi brevi al fine di evitare il prolungarsi dello stato anestetizzante del paziente. 1.1 Caratteristiche dell acceleratore lineare Novac7 nella tecnica di trattamento della radioterapia intraoperatoria (IORT). Il fascio di elettroni è prodotto dall acceleratore di elettroni, dedicato ai trattamenti di radioterapia intraoperatoria Intra Operative Radiation Therapy (IORT), NOVAC7, 4

2 costruito dalla HITESYS S.p.a., ed è appositamente concepito per operare direttamente in sala operatoria. Per tale motivo aspetti quali mobilità, leggerezza e facilità di installazione sono stati particolarmente curati. L innovazione di tale acceleratore rispetto ai tradizionali, consiste nei due seguenti aspetti, uno di tipo pratico e uno di tipo costruttivo: 1. le ridotte dimensioni e la mobilità della macchina permettono di collocarla in sala operatoria, senza richiedere particolari trasformazioni di quest ultima, evitando perciò il trasferimento durante l operazione dalla sala operatoria al bunker di radioterapia; 2. la mancanza di filtri diffusori riduce notevolmente la radiazione fotonica diffusa dall acceleratore. L assenza di filtri diffusori, inoltre, ha permesso lo sviluppo di una particolare architettura della macchina che risulta caratterizzata da un braccio articolato (stativo), in grado di consentire la variazione della distanza tra acceleratore e superficie da trattare al fine di ottimizzare il livello di omogeneità dosimetrica dei campi. La suddetta caratteristica costruttiva rende inoltre il NOVAC7 in grado di irraggiare una superficie attraverso scansioni successive (tecnica conformazionale). Tale argomento esula comunque dagli scopi prefissi da questo lavoro, che invece affronta la dosimetria di fasci di elettroni, di sezione circolare fissa di diametro compreso tra 6 cm e 10 cm, impiegati nella IORT. Nel NOVAC7, il fascio, prodotto da un linac alloggiato in una struttura separata, connessa alla sorgente di microonde (modulatore) per mezzo di una guida d onda flessibile, viene collimato da un applicatore. La figura 1 mostra il robot linac NOVAC7. 5

3 Fig.1 A.L. NOVAC7 usato in IORT. Le dimensioni esterne sono: 2.55 m in altezza, 2.3 m in lunghezza, 1 m in larghezza e il peso è 600 Kg. I collimatori in dotazione al NOVAC7 sono divisi in due parti: la parte superiore viene saldamente fissata all acceleratore mentre quella inferiore viene in contatto con il paziente ed è tenuta fissa mediante dispositivi meccanici in genere facenti capo al letto operatorio. Per irraggiare il paziente la testa radiante viene spostata lentamente fino a porre in asse, a circa 2 mm di distanza, la parte superiore del collimatore con quella inferiore, che 6

4 aderisce alla superficie del paziente; una ghiera di fissaggio permette di unire le due parti (Fig.1a). Questo tipo di connessione è denominata hard docking ed assicura il corretto allineamento delle due parti del collimatore. Fig.1a Connessione hard docking tra le due parti costituenti il collimatore I collimatori sono costruiti in perspex, materiale a basso numero atomico Z, al fine di minimizzare la radiazione di frenamento. Tale materiale è inoltre particolarmente adeguato sia per la facilità di manovrabilità che per la facilità di sterilizzazione. Tali collimatori hanno configurazione geometrica cilindrica con lunghezza, corrispondente alla distanza sorgente superficie (DSS) pari a 80 cm, 100 cm e 120 cm. Le dimensioni del diametro dei collimatori possono essere di 4 cm, 6 cm, 8 cm, 10 cm e 12 cm, con inclinazioni di 0, 22,5, e 45 (Tab.I). Conseguentemente, a ciascun collimatore corrisponderà, per una certa energia fissata, un differente rateo di dose. All opposto di quanto avviene per gli acceleratori di elettroni convenzionali, il rateo di dose sull asse centrale dei fasci prodotti dal NOVAC7 aumenta al diminuire delle dimensioni del campo. Ciò è imputabile al fatto che la fluenza di elettroni aumenta al restringersi delle dimensioni dei collimatori per via della forte collimazione del fascio. 7

5 Un altra caratteristica dell A.L. NOVAC7 è data dalla possibilità di lavorare con frequenze di ripetizione degli impulsi, ν, comprese in un intervallo di valori che va da ν =1 Hz a ν=29 Hz. La frequenza di ripetizione di 5 Hz è stata indicata dal costruttore come frequenza che garantisce la migliore stabilità di erogazione del fascio. Il tempo di durata dell impulso è uguale a 4 µs. Il NOVAC7 è in grado di fornire quattro differenti energie di trattamento, la cui scelta dipende dalla profondità di penetrazione ritenuta ottimale per il trattamento IORT. I valori nominali di energia, E, forniti dal costruttore, sono indicativi per le energie più alte dello spettro degli elettroni prodotti dall A.L. In tabella I sono riassunte alcune caratteristiche del fascio NOVAC7 quali: energie nominali, dimensioni e inclinazioni dei collimatori, DSS, valori disponibili di frequenza di ripetizione degli impulsi. Energie nominali (MeV) 3, 5, 7, 9 Dimensioni dei collimatori (cm) 4, 6, 8, 10, 12 Inclinazione dei collimatori 0, 22,5, 45 DSS (cm) 80, 100,120 Intervallo di frequenze di ripetizione degli impulsi (Hz) 1-29 Tab.I Riassunto delle principali caratteristiche del fascio di elettroni NOVAC7 In tabella II sono riportati i valori dei parametri dosimetrici [11] che caratterizzano i fasci di elettroni del NOVAC7. 8

6 Energia (MeV) nominale E 0 (MeV) 4 4,7 5,8 6,8 z max (cm) 0,7 1,0 1,2 1,3 E zmax (MeV) 2,7 2,6 3,3 4,0 R 50 (cm) 1,7 2,0 2,5 2,9 R p (cm) 2,2 2,7 3,3 3,8 Tab.II Valori dei parametri dosimetrici che caratterizzano i fasci di elettroni prodotti dall A.L. NOVAC7 Tali parametri sono stati determinati da misure di dose percentuale in profondità, DPP, riportate nella figura 2 ottenute dall elaborazione di un sistema computerizzato del fantoccio d acqua (Scanditronix), dei segnali forniti da un diodo al silicio mod.deb (Scanditronix). I risultati ottenuti si riferiscono a campi di diametro pari a 10 cm, e a DSS = 100 cm. Alcune misure eseguite con collimatori di diverso diametro hanno evidenziato che, fissata un energia e a parità di angolo di incidenza del collimatore: le DPP non dipendono dal diametro del collimatore; le DPP sono indipendenti dalla DSS. 9

7 Fig.2 Dosi percentuale in profondità (DPP) di fasci di elettroni prodotti dall A.L. NOVAC7 di energie nominali 3 MeV (a), 5 MeV (b), 7 MeV (c) e 9 MeV (d), per un campo di diametro pari a 10 cm con DSS = 100 cm. Un doppio sistema dosimetrico costituito da camere monitor collocate all uscita del fascio, garantisce una riproducibilità del fascio entro lo 0,7% (1σ ), per fasci di qualsiasi energia. La riproducibilità del fascio per numero di impulsi è stata determinata, mediante misure con camera a ionizzazione, essere contenuta entro lo 0,7% (1σ ), per un intervallo di impulsi da circa 100 a circa 4000 impulsi, corrispondente ad un intervallo di dose da 3 Gy a 120 Gy (Fig 3). La figura 3a mostra invece la camera a ionizzaione Markus in fantoccio d acqua alla profondità di riferimento coincidente con il build-up. 10

8 0,0580 segnale camera ionizzazzione (nc/imp 0,0575 0,0570 0,0565 0,0560 0,0555 0, n. impulsi Fig.3 Stabilità della carica raccolta per impulso (ottenuto da una camera a ionizzazione Markus posta sull asse centrale del fascio )in funzione del numero di impulsi per un fascio di elettroni E = 5,8 MeV (campo di diametro pari a 10 cm con DSS=100 cm). La camera NOVAC7 con 0 a ionizzazione utilizzata era posta in perspex al build-up di 1,1 cm (equivalente a 1,2 cm in acqua). build-up z=1,2 cm camera Markus in fantoccio d acqua al build-up estremità collimatore NOVAC7 e live llo menisco acqua fantoccio Fig.3a Camera Markus in fantoccio d acqua al build-up 11

9 CAPITOLO II - Film radiocromici GafChromic MD-55-2 In questo capitolo sono riportate le misure relative alla caratterizzazione dosimetrica delle lastre radiocromiche GafChromic MD In particolare oltre alla descrizione del sistema densitometrico utilizzato, sono riportate informazioni relative: alla uniformità della risposta delle GafChromic MD-55-2, alla dipendenza della densità ottica, dalla temperatura, dall energia, dal tempo trascorso dall irraggiamento e dalla dose per impulso. La procedura adottata permette di ottenere un incertezza globale, associata alla misura dosimetrica eseguita con lastre GafChromic MD-55-2, compresa entro il 2,7% (1σ). 2.1 Caratteristiche dosimetriche dei film radiocromici GafChromic MD-55-2 Le lastre radiocromiche utilizzate in questo lavoro sono del tipo GafChromic MD-55-2 (ISP Technologies Inc.; LOT #38055), caratterizzate da un valore di densità ottica, optical density ( 1 ) (OD), di fondo, o velo, OD ~ 0,1, circa 2 volte inferiore rispetto ai modelli precedenti. Le lastre GafChromic MD-55-2 sono fornite in fogli di superficie 12,5x12,5 cm 2, con spessore nominale di 278 µm. La struttura, stratificata, delle lastre GafChromic MD-55-2, è rappresentata in Tab.III [7]. ( 1 ) Si definisce densità ottica, optical density, OD, o assorbanza, il logaritmo del rapporto tra intensità della radiazione incidente, I 0, ed intensità della radiazione trasmessa, I: OD= log (I 0 /I) 12

10 Tab.III Struttura e dimensioni delle lastre GafChromic MD-55-2 come riportato in letteratura [7]. In tabella è evidenziato in particolare la dimensione delle basi di poliestere (due strati di 67 µm più uno centrale di 25 µm di spessore), la dimensione degli strati sensibili (due strati di 15 µm di spessore) e la dimensione degli strati di adesivo (due strati di 44.5 µm di spessore) costituenti le lastre. L elemento sensibile è un idrocarburo aromatico composto da elementi a basso numero atomico (H, C, O, N), le caratteristiche sono quelle di un materiale quasi acqua equivalente con numero atomico efficace Z eff = 6,2 ± 0,3 [7]. I due strati sensibili sono costituiti da un gel di leucociti (amino-trifenilmetano) ciascuno di spessore nominale pari a 15 µm rivestito in ambo i lati da una base di poliestere. La lastra GafChromic MD-55-2 si presenta trasparente e incolore prima dell irraggiamento, mentre dopo l esposizione alle radiazioni assume una colorazione blu di intensità proporzionale alla dose assorbita. Il cambiamento di colore della pellicola avviene senza necessità di alcun processo di sviluppo, essendo il risultato di un processo di stato solido innescato dalle radiazioni, che trasforma monomeri in polimeri colorati. 13

11 L assenza di trattamento chimico, la scarsa sensibilità alla luce e la protezione dello strato sensibile della lastra, permettono di utilizzare detti film direttamente in fantoccio d acqua. Ciò permette rispetto ai tradizionali film X-Omat, di migliorare l accuratezza dosimetrica. Essendo l elemento sensibile un idrocarburo aromatico composto da elementi a basso numero atomico (H, C, O, N), le caratteristiche sono quelle di un materiale quasi acqua equivalente con numero atomico efficace Z eff = 6,2 ± 0,3 [7]. Ciò comporta una dipendenza della risposta, definita come rapporto tra le OD e la dose in acqua, della lastra GafChromic MD-55-2 in funzione dell energia circa dieci volte inferiore a quella delle normali lastre al bromuro d argento (X-Omat) che presentano uno Z eff 25 e circa la metà di quella dei dosimetri a termoluminescenza (TLD) di maggiore impiego, che hanno uno Z eff = 8 (Fig.4). Fig.4 Risposta delle lastre GafChromic MD-55-2 ( ), dei TLD (o) e dei film Kodac X-Omat ( ), in funzione dell energia dei fotoni, normalizzati al segnale ottenuto per un fascio di 60 Co [13] 14

12 La risoluzione spaziale ottenibile con questo tipo di film è molto alta, circa 2000 linee per mm [8], ma a causa del metodo di distribuzione del materiale sensibile, non ancora del tutto perfezionato, la risposta dei vari punti della lastra risulta fortemente disomogenea permettendo una risoluzione massima di 600 linee per millimetro [7]. Un altra caratteristica importante di questo rivelatore è la buona indipendenza della OD dal rateo medio di dose, come risulta da numerosi studi eseguiti su questo argomento [7]. In figura 5 è riportata la risposta delle lastre MD-55-2 all irraggiamento con radiazione gamma di 60 Co a differenti dosi e a differenti ratei di dose [7]. Fig.5 Risposta delle lastre MD-55-2 all irraggiamento con radiazione gamma di 60 Co a differenti dosi e a differenti ratei di dose [7]. Le lastre GafChromic MD-55-2 pur non essendo sensibili alla luce bianca lo sono agli ultravioletti. Tale sensibilità è comunque trascurabile per la brevi esposizioni che si verificano tra una misura e l altra. 15

13 In figura 6 sono riportati, per diversi valori di dose, i grafici dell assorbanza, OD, delle lastre GafChromic MD-55-2, in funzione della lunghezza d onda della sorgente luminosa impiegata per la misura. Tale grafico presenta due massimi di cui uno molto pronunciato in corrispondenza della lunghezza d onda λ= 670 nm. Ciò comporta una dipendenza dei valori delle letture di OD dalla lunghezza d onda della sorgente luminosa impiegata. Fig.6 Andamenti dei valori di OD delle lastre GafChromic MD-55-2, irraggiate con diversi valori di dose, in funzione della lunghezza d onda della sorgente luminosa utilizzata per la misura [7]. Un limite delle lastre GafChromic MD-55-2 è rappresentato dal basso valore della OD alle radiazioni. Per tale motivi è necessario utilizzare valori di dose elevati (3 100 Gy) al fine di migliorare la riproducibilità della risposta ( ). ( ) Per risposta si intende il rapporto tra il segnale del rivelatore (OD) e la dose 16

14 Infine, come sarà messo in evidenza in seguito nel paragrafo 2.9, la dipendenza della OD risulta essere non lineare in funzione della dose assorbita. 2.2 Il microdensitometro PeC mod. CCD100 per film radiocromici Il microdensitometro utilizzato per le misure di OD delle GafChromic MD-55-2 è un modello CCD 100 prodotto dalla PeC (Photoelectron Corporation). Tale strumento misura la OD di un film radiografico mediante l acquisizione dell immagine con un dispositivo a telecamera. Il sistema di acquisizione è costituito da una telecamera, che può scorrere su un banco ottico verticale (in modo da variare la distanza della CCD dalla lastra), e da una finestra rettangolare di dimensioni 12x10 cm 2 illuminata con luce monocromatica. Il tutto è contenuto in un armadietto allo scopo di schermare la luce esterna. La sorgente luminosa è costituita da 60 LED disposti in modo da avere un illuminazione uniforme della finestra. I LED, al Gallio-Alluminio-Arsenico, hanno uno spettro di emissione di 665 nm quasi coincidente con il picco di massima assorbanza delle lastre GafChromic MD La stabilità dell illuminazione è mantenuta misurando la luce emessa dai LED con un fotodiodo al silicio. Il segnale del fotodiodo è poi confrontato con un segnale di riferimento. In figura 7 sono riportati i valori della risoluzione spaziale e delle dimensioni dell immagine digitale, entrambi in funzione della distanza tra telecamera e finestra di acquisizione. L immagine è acquisita su una matrice rettangolare (x;y) di 375x242 pixel e sia le dimensioni che la risoluzione spaziale lungo la direzione y sono minori di quelle lungo la direzione x. 17

15 Fig.7 Valori della risoluzione spaziale lungo la direzione x ( ) (linea continua) e lungo la direzione y ( ) (linea continua), in funzione della distanza tra telecamera e finestra di acquisizione (scala a sinistra). Dimensioni dell immagine digitale, lungo la direzione x ( ) (linea tratteggiata) e lungo la direzione y ( ) (linea tratteggiata), in funzione della distanza tra telecamera e finestra di acquisizione (scala destra). Si può infine notare che allontanando la telecamera dalla finestra di acquisizione aumentano le dimensioni dell immagine ma la risoluzione spaziale diminuisce diminuendo il numero di pixel per unità di superficie. I segnali acquisiti dal CCD vengono digitalizzati mediante un camera controller dedicato a 16-bit. Tramite un interfaccia seriale RS 232 i segnali digitali sono inviati ad un computer esterno dove è possibile memorizzare ed elaborare l immagine acquisita. L acquisizione dell immagine avviene in due tempi: prima viene acquisita un immagine che, ad obiettivo della telecamera chiuso, registra le cariche residue nei pixel; poi viene acquisita l immagine vera e propria a cui è sottratta l immagine precedente. Per avere un immagine in OD occorre in primo luogo acquisire un immagine del piano di lettura, corrispondente al valore di intensità luminosa I 0 e poi acquisire la immagine della lastra di cui si vuol determinare la OD, corrispondente al valore di intensità 18