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Brachiterapia HDR procedure di calibrazione
e simulazioni Monte Carlo con Geant4
Candidato Matteo Tropeano
Relatori interni Prof. P. Corvisiero Dr. M. G.
Pia
Relatore esterno Dr. F. Foppiano
Correlatore Prof. S. Squarcia
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Obiettivi del progetto di tesi
Attivazione dei processi di Controllo di Qualità
nellambito della dosimetria di base e
dosimetria clinica allIstituto Nazionale per la
Ricerca sul Cancro (IST)
Dosimetria di base
Complesso di procedure e metodologie atte a
valutare le grandezze dosimetriche che
caratterizzano le apparecchiature
Dosimetria clinica
Complesso di procedure e metodologie atte a
calcolare la dose di radiazione assorbita nei
tessuti irradiati
Il lavoro nasce da una collaborazione
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Radioterapia
Scopo di un trattamento radiante è la
sterilizzazione delle cellule neoplastiche
presenti nellarea irradiata.
Dose assorbita D dE / dm D Gray J / kg
Lattuazione delle procedure di Controllo di
Qualità è essenziale per garantire la dose
ottimale ai volumi interessati salvaguardando gli
organi sani e sensibili

• Fasci esterni
• Brachiterapia

Metodi della radioterapia
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Brachiterapia
La dose di radiazione viene rilasciata mediante
luso di sorgenti radioattive sigillate poste,
con speciali applicatori, in vicinanza della zona
da trattare
Molteplici tecniche e diverse scelte nei
rapporti dose / tempo di trattamento

• Sorgenti con diverse forme (aghi, fili, semi)
• Ampi range di attività

Possibilità di sorgenti ad alta
intensità Protezione per fisici e radioterapisti

• Dispositivi a telecaricamento

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Lunità brachiterapica allIST
Brachiterapia HDR
alta intensità di dose ( gt 12 Gy / ora)
microSelectron-HDR Classic
Sorgente Ir-192

• Decadimento caratterizzato da radiazione
  fotonica
• ltEgt 356 keV su tutte le righe
• ltEgt 397 keV eliminando le righe assorbite
• dalla capsula
• Tempo di dimezzamento 73.83 giorni

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Calibrazione della sorgente
Reference Air Kerma Rate (RAKR) Intensità di
kerma in aria alla
distanza di
riferimento di 1 metro
Kerma K dE / dm
In questo contesto specifico si è inserita una
parte del lavoro sperimentale
Protocollo dellAIFB (Associazione Italiana di
Fisica Biomedica)

• Dosimetro di uso corrente (controlli di routine
  sullunità) tarato in RAKR
• Dosimetro di riferimento (cambio della sorgente,
  ogni 3-4 mesi)

Dosimetro di uso corrente
Elettrometro - alimentatore - camera a pozzetto

Kr I NK KT, P
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Dosimetro di riferimento
Elettrometro - Alimentatore - Camera cilindrica
Farmer

• Misure eseguite a distanze inferiori ad 1 metro
• Necessario garantire il posizionamento

• Segnale corretto M(d) L(d) KT,P Ksat
• Segnale dovuto ai fotoni primari
• MP (d) d2 cost
• MP (d) d2 (M (d) - MS) Pgeom Paria) d 2
  
• Calcolo di MP (d r) d r 2

Kr (MP (d r) d r 2 ) NK / ?t

K r 3.5 0.1 cGy m2 / h (Farmer) K r
3.6 0.1 cGy m2 / h (Camera a pozzetto)

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Questa parte di lavoro ha contribuito alla
realizzazione allIST del Manuale di Qualità
dellUnità Brachiterapica
Ottimizzazione dei Controlli di Qualità in
Dosimetria Clinica
Simulazioni MC
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Ruolo delle simulazioni MC in campo fisico-medico

• Medicina nucleare
• Diagnostica raggi-x
• Protezione dalle radiazioni
• Radioterapia calcoli dosimetrici, applicazioni
  a sistemi commerciali per la
• pianificazione dei
  trattamenti

trasparenza della fisica
validazione dei risultati da fonti e contesti
diversi
utilizzo di librerie di dati valutate
Requisiti che un software deve soddisfare
controlli di qualità basati su tecnologie
avanzate
utilizzo di standard riconosciuti
Il software scelto, perché supporta tutti i
requisiti, è
Sviluppo di applicazioni con avanzate tecniche di
Ingegneria del Software
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Tecniche avanzate di software utilizzate nella
tesi
Processo di sviluppo del software
Modello iterativo-incrementale
Miglioramento del processo di sviluppo del
software
ISO 15504
Metodologia Orientata agli Oggetti
Analisi e Design UML Programmazione C
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Collaborazione internazionale di oltre 100
scienziati
Simulazione del passaggio di particelle nella
materia ( HEP, medica, astrofisica, ecc.)
Uso di strumenti avanzati di Ingegneria del
Software e metodologia OO
Funzionalità in ogni dominio

• Flessibile
• Aperto alle evoluzioni
• Trasparente

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Il test del coefficiente di attenuazione dei
fotoni
Estensioni a basse energie Moduli standard
Scelta della fisica
Due modelli per i processi EM
Design e sviluppo di unapplicazione completa

• Identificare tra i modelli forniti da Geant4
  quello più appropriato
• nel contesto dellapplicazione brachiterapica
  che intendiamo sviluppare
• (range 10 keV - 1 MeV coperto da entrambi i
  moduli)
• Valutare laccuratezza dei processi nei moduli a
  basse energie in particolare
• i modelli di sezioni durto per i processi di
  fotoni nel range descritto

N0 fotoni generati Nd fotoni rivelati
? /? ln (Nd / N0) / ?
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Simulazioni in acqua, ferro, piombo
Risultati confrontati con dati NIST (National
Institute for Standard e Technology)
errori lt 1
Conclusioni
In base alle valutazioni di accuratezza

• I moduli a basse energie sono
• più appropriati nel contesto delle
• applicazioni che intendiamo sviluppare
• Abbiamo fornito uno strumento da
• utilizzare nei regolari processi di testing
• su Geant4

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La simulazione della sorgente brachiterapica

• Determinare la distribuzione di dose attorno
  alla
• sorgente brachiterapica
• Validazione mediante confronti con dati
  sperimentali
• Valutazioni dellaccuratezza del software
  commerciale

Obiettivi
Configurazione sperimentale
Sorgente immersa in una scatola dacqua
(fantoccio)
Requisiti della simulazione

• Modellizzazione delle geometrie e dei materiali
• Generazione delle particelle primarie
• Processi elettromagnetici per fotoni ed
  elettroni
• Tracciamento di secondari
• Valutazione dellenergia depositata

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Lapplicazione software
Diagramma delle classi in notazione UML
Geometria virtuale di lettura
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2 107 eventi primari, soglia sulla produzione
dei secondari 0.1 mm, celle 1 mm3
Risultati
Errore statistico lt 4 entro 25 mm, 8 a 40 mm
Anisotropia dovuta a filtrazione obliqua
nelliridio, capsula, cavo acciaio
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Confronti
Asse trasversale
Buon accordo tra risultati, dati sperimentali
(nelle stesse condizioni) e dati forniti dal
software commerciale
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Asse longitudinale
Minore accordo tra i risultati ed i dati forniti
dal software commerciale.
Lapplicazione di simulazione MC realizzata
permette valutazioni dosimetriche accurate
facilmente adattabili a situazioni concrete
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Simulazioni per lapplicatore Leipzig
Estensione del programma di simulazione per
analizzare una situazione clinica concreta non
supportata dal software commerciale
Applicatore Leipzig
Trattamenti superficiali

• La necessità di effettuare simulazioni nasce da
  esigenze cliniche
• Non esistono dati dosimetrici in letteratura
• I costruttori forniscono le dosi in condizioni
  omogenee
• Sono necessarie, per le valutazioni cliniche,
• le caratterizzazioni nelle diverse situazioni
  terapeutiche
• (vicinanza a cavità daria, presenza di ossa,
  ecc.)

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Lapplicazione software
Estensioni al programma

• Definizione delle geometrie dellapplicatore
• Spostamento della scatola dacqua

Risultati
Rappresentazione delle isodosi normalizzate alla
superfice
Sono stati generati 108 eventi primari Soglia
sulla produzione secondari 0.1 mm Celle 1mm3
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Confronti
Le misure sono state effettuate allIST nella
stessa configurazione
Buon accordo tra risultati, dati sperimentali
e dati forniti dal costruttore
I risultati del confronto confermano
ladeguatezza dellapplicazione realizzata. Con
questo strumento sarà possibile caratterizzare
tutti gli applicatori Leipzig nelle diverse
configurazioni ed in diverse condizioni di
omogeneità
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Conclusioni

• Nellambito della dosimetria di base sono state
  messe a punto le procedure per la
• corretta calibrazione della sorgente necessarie
  alla stesura del Manuale di Qualità
• dellUnità Brachiterapica.
• Nellambito della dosimetria clinica è stata
  realizzato un programma di simulazioni
• MC che consente valutazioni fisico-dosimetriche
  in configurazioni cliniche concrete.
• Nel caso dei Leipzig sono indispensabili per
  lottimizzazione dei trattamenti.
• In particolare sono state determinate
  distribuzioni di dose e prodotte validazioni
• mediante confronti con dati sperimentali.

• Il lavoro ha fornito diversi contributi alla
  Collaborazione Geant4
• E stata realizzata una applicazione completa
  che ha testato nuovi modelli EM.
• Il test sul coefficiente di attenuazione sarà
  inserito nel processo di testing regolare
• Il programma di simulazione è stato inserito
  nella distribuzione pubblica del codice
• tra gli Esempi Avanzati. Lo scopo è quello di
  fornire, nellambito del supporto agli
• utenti, un esempio cocreto di applicazione
  fisico-medica.