Transcript l`utilizzo degli acceleratori nella radioterapia

L’utilizzo degli
acceleratori nella
Radioterapia
M. Fantini
Il processo di accelerazione
ee-
e-
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e-
e-
Il processo di accelerazione
e-
e-
eee-
e-
e-
Il processo di accelerazione
E = 12 eV
( 1 eV = 1.6 x 10-19 J )
e-
Corrente (n° di elettroni al sec)
T3
_
+
T2
T1
12 V
Tensione
Il processo di accelerazione
V
e-
12 V
~
tempo
Tipi di acceleratori
 A traiettorie
rettilinee
– Elettrostatico
– Linac
 A traiettorie
–
–
–
–
circolari
Ciclotrone
Microtrone
Sincrotrone
Il Betatrone
L’Elettrostatico
Cannone
Cavo d’unione
Energia tip. 250 keV
Potenza 10-100 kW
Applicazioni:
•Ind. Cartaria
•Mobilifici
•Film Magnetici
•Sterilizzazione
Alimentatore
Diffusore
Bersaglio
Il Ciclotrone (Protoni)
Energie tipiche 10-230 MeV
Applicazioni:
•Adroterapia
•Produzione Isotopi
Il Ciclotrone (Protoni)
Energie tipiche 10-230 MeV
Applicazioni:
•Adroterapia
•Produzione Isotopi
Il Microtrone
Energie 5- 20 MeV
Applicazioni:
•Radioterapia
•Sorg. X Industriale
•Metrologia
Il Sincrotrone
Magneti a campo variabile
Cavità Acceleratrici
Energie 0.1 – 2 GeV
Applicazioni:
Ricerca
Raggi X monocromatici
Il Betatrone
Elettroni o fotoni ?
Dose Rilasciata
100% ai tessuti
Gli elettroni rilasciano tutta la loro
energia nei primi centimetri di
tessuto, mentre i raggi X attraversano
il corpo con poca attenuazione.
Elettroni da 9 MeV
Raggi X da 9 MeV
Profondità di penetrazione
4 cm
Effetto biologico delle radiazioni ionizzanti
e-
Nucleo
e-
DNA
DNA
Utilizzo dei raggi X
Utilizzo dei raggi X
Utilizzo dei raggi X
Acceleratori per radioterapia con
fasci esterni
Isocentro
Acceleratori per radioterapia con
fasci esterni
I generatori di potenza a
radiofrequenza
M. Fantini
Il Magnetron
Catodo
Anodo
Il Magnetron
e-
Il Magnetron
e-
Il Magnetron
Il Magnetron
Corrente
Campo Elettrico
Il Magnetron
Il Magnetron
Il Magnetron
Il Magnetron
Il Magnetron
Il Magnetron (dati tipici)
 Potenza
di picco
3.1
 Tensione di picco
 Corrente di picco
 Campo magnetico
 Rendimento
 Durata dell’impulso
 Frequenza di ripetizione max
 Potenza media
MW
50
kV
120 A
0.15 T
50
%
4
s
300 Hz
3
kW
Il Klystron
e-
Il Klystron
e-
Il Klystron
e-
Il Klystron
Collettore
Uscita R.F.
Cavità risonanti
Alimentatore
alta tensione
Ingresso R.F.
Cannone Elettronico
Il Klystron (dati tipici)
Potenza
di picco
Tensione
di picco
Corrente
di picco
5.5
MW
150
100
A
Rendimento
45
%
Durata
6
s
300
Hz
20
kW
dell’impulso
Frequenza
Potenza
di ripetizione max
media
kV
Il Thyratron
Spinterometro o Spark-Gap
Il Thyratron
Il Thyratron
Anodo
Griglia
Catodo
Filamento
Il Thyratron
Il Modulatore
Alimentatore A.T.
Thyratron
Linea Formatrice
Trasformatore
d’impulso
Il Modulatore - HVPS
Alimentatore A.T.
Il Modulatore
L
L
C
L
C
L
C
L
C
C
I o V
R
T
Il Modulatore
R
R
Schema equivalente della linea di ritardo
Il Modulatore
L
50 kV
12 kV
6 kV
L
C
L
C
L
C
L
C
C
Il Modulatore
Il Trasformatore
d’impulsi
Il Modulatore
Il Trasformatore
d’impulsi
Il Modulatore
Il Trasformatore
d’impulsi
Il Modulatore
Il Modulatore
Il controllo di Frequenza
C
Z0
Z
L
R
Il controllo di Frequenza
Onda Stazionaria
Punto di misura
C
Z0
L
R
Z
Il controllo di Frequenza
C
L
R
Punto di misura
Il controllo di Frequenza
Onda Stazionaria
Punto di misura A
Z0
Punto di misura B
Z
Il controllo di Frequenza
L’Acceleratore
Lineare
M. Fantini
Il processo di accelerazione
E = 12 eV
( 1 eV = 1.6 x 10-19 J )
e-
Corrente (n° di elettroni al sec)
T3
_
+
T2
T1
12 V
Tensione
Il processo di accelerazione
V
e-
12 V
~
tempo
Il processo di accelerazione
e-
V
12 V
~
tempo
Il processo di accelerazione
e-
V
12 V
~
tempo
Il processo di accelerazione
e-
~
L’acceleratore lineare
R.F.
L’acceleratore lineare
L’acceleratore lineare
L’acceleratore lineare
Il catodo
Il catodo
Il catodo
L’acceleratore lineare
Come si generano i raggi X da frenamento
Flangia di Rame
Raffreddamento
Vuoto
Bersaglio di Tungsteno
Il rendimento di conversione è del 5 - 8 %
L’acceleratore lineare
C
L
L’acceleratore lineare
V
C
L
F
F0
L’acceleratore lineare
V
F
L’acceleratore lineare
V
F
F0
F/2
F
L’acceleratore lineare
V
F0
F
F0
F/2
F
L’acceleratore lineare
V
F/2
F
F0
F/2
F
L’acceleratore lineare
V
F
F
F0
F/2
F
L’acceleratore lineare
L’acceleratore lineare
F0
L’acceleratore lineare
F/2
L’acceleratore lineare
F
L’acceleratore lineare
L’acceleratore lineare
L’acceleratore lineare
Accessori
dell’acceleratore lineare
M. Fantini
Il sistema da vuoto
 Vuoto
(Torricelliano) < 10-3 hPa (mbar)
– Pompe meccaniche rotative
– Pompe ad ingranaggi

Alto Vuoto (HV) < 10-6 hPa
– Pompe a diffusione
– Guarnizioni in elastomero

Ultra Alto Vuoto (UHV) < 10-9 hPa
– Pompe turbomolecolari
– Pompe ioniche
– Guarnizioni metalliche
Il sistema da vuoto
 In
UHV si manifesta il fenomeno della emissione
dei gas inglobato nella struttura cristallina dei
metalli (adsorbimento).
 Le pareti quindi si comportano come una sorgente
infinita di gas che tende ad abbassare la pressione
fino a raggiungere i livelli di vuoto Torricelliano;
 E’ pertanto indispensabile pompare continuamente
per mantenere il livello desiderato.
 Questo compito è affidato alle pompe ioniche che
sono particolarmente adatte a questa funzione di
mantenimento.
Il sistema da vuoto
 Per
stabilire il valore di vuoto necessario in un
acceleratore lineare si esegue un’operazione
chiamata Prevuoto o Degassamento
Pinch-off
Pompa Ionica
Linac
Pompa Rotativa
Pompa Turbomolecolare
Il sistema da vuoto ; Pompa Ionica
3 – 5 kV
e-
Spugna di Palladio
o Tungsteno
Il sistema da vuoto ; Pompa
Ionica
È
una pompa statica
 È operativa tra 10-5 e 10-9 hPa
 Ha una vita che dipende dalla bontà del vuoto
iniziale (tip. 10.000 h)
 È rigenerabile
 La sua corrente fornisce una discreta misura della
pressione
 È moderatamente selettiva (pompa male H ed He)
Il monitoraggio del fascio
e-
300 V
=
Il monitoraggio del fascio
e-
e-
e-
300 V
=
A
Il monitoraggio del fascio
I
Zona di lavoro delle C.I.
Fascio ionizzante costante
Vbias
Il monitoraggio del fascio
I
Flusso di energia
Zona di lavoro delle
camere monitor IORT
Fascio ionizzante Variabile
Il monitoraggio del fascio ;
Metodi alternativi
 Dalla
definizione di Gray (1Gy = 1 J/1kg) deriva la
possibilità di misurare la dose associata al fascio
misurandone la fluenza di energia
 Considerando quindi che J = Vaccel x Ifascio x Timp.
Dove T è costante ed uguale per tutti gli impulsi
 Se si garantisce che la Vaccel sia costante
 Si può affermare che Gy  Ifascio
 E quindi usare un trasformatore amperometrico
come elemento di monitoraggio.
Il monitoraggio del fascio ;
Metodi alternativi
Iamperometro = Ifascio / numero di spire
A
Il monitoraggio del fascio ;
Metodi alternativi
Cavità risonante a 3 Ghz
a basso Q
L’acceleratore lineare
L’acceleratore lineare
L’acceleratore lineare
E
tempo
L’acceleratore lineare
E
tempo
L’acceleratore lineare
La Radioterapia
convenzionale ed
Intraoperatoria
M. Fantini
Utilizzo dei raggi X
Utilizzo dei raggi X
Utilizzo dei raggi X
Acceleratori per radioterapia con
fasci esterni
Isocentro
Acceleratori per radioterapia con
fasci esterni
Criteri di determinazione della dose
Effetto
Quantità somministrata
Criteri di determinazione della dose
Effetto
Effetto
Quantità somministrata
Effetto Terapeutico
Quantità somministrata
Effetto Dannoso
Criteri di determinazione della dose
Effetto
Dose
Ideale
Quantità somministrata
Criteri di determinazione della dose
Effetto
Quantità somministrata
Irradiazione conformazionale
Irradiazione conformazionale
Irradiazione conformazionale con
collimatore “multi leaf”
Irradiazione conformazionale con
collimatore “multi leaf”
Utilizzo degli Elettroni nella IORT
Utilizzo degli Elettroni nella IORT
Utilizzo degli Elettroni nella IORT
Dose Rilasciata
ai tessuti
Profondità di penetrazione
Utilizzo degli Elettroni nella IORT
Dose Rilasciata
ai tessuti
Profondità di penetrazione
Il Mobetron
Il Mobetron
Il NOVAC7
Il NOVAC7
Il NOVAC7
Il NOVAC7
Il NOVAC7
Il LIAC