The topic of this thesis is in the area of innovative techniques for the use of ionizing radiation for therapeutic purposes and, in particular, focuses on the emerging FLASH technique, which consists of a single irradiation delivered in < 200 ms at very high dose rates (> 40 Gy/s). The reason of the strong interest in flash radiotherapy is the experimental evidence that high dose rates have the same effect on cancer cells as conventional dose rates, but safeguard healthy tissue more. Nowadays, there are few accelerators built specifically to produce flash beams, so modifications are being made to conventional accelerators to study this effect. At the Department of Physics in Turin there is a LINAC for electrons and photons; taking a cue from the work done and published by a Swedish research group (Lempart et al., 2019, Radiotherapy and Oncology), it was possible to start the process of modifying our LINAC to make it capable of producing electron beams of higher intensity. My thesis work contributed to the dosimetric characterization of the linear accelerator (in electron mode) before and after the modifications made on the machine. The main purpose of the thesis was to measure the dose per pulse and its uniformity as the machine parameters changed. The experimental setup I used includes two cylindrical ionization chambers read by a two-channel electrometer, a 1D water phantom with a motorized arm for moving one of the two ICs deep into the water. The second IC is fixed outside the water at the edge of the beam irradiation field and is used as a reference. At first, the LINAC was characterized for electron beams of different energies (6-10-18 MeV) at conventional average dose rates (maximum 1 Gy⁄min). Following modifications to the accelerator with the help of qualified technicians, the LINAC was characterized to quantify the results obtained with higher intensity beams. In addition, an electronic circuit was introduced that could read the number of pulses delivered by the accelerator, so that the dose/charge of individual pulses could be evaluated. The main measurements made were percentage dose depth (PDD) curves, from which I identified the quality index of the various beams according to the TRS-398 protocol (standard for dosimetry). The PDD measurements also allowed us to verify the beam energy (10 MeV) after modification. Next, measurements were made at fixed depth to evaluate the integrated charge per pulse, the dose absorbed by the phantom, and how these change as the accelerator gun current and its frequency change. The goal is to obtain a constant charge per pulse as the beam frequency changes; this, at present, has occurred only in the conventional mode and not for flash beams. Integrated charge-per-pulse measurements allowed us to estimate an increase in charge of about two orders of magnitude from the conventional to the modified mode: for 10 MeV electron beams and 12 Hz frequency, we calculated 1 pC/pulse (conventional) and about 100 pC/pulse (flash). Verification of the beam instability as the LINAC frequency changes identified future goals to be achieved before we could have a high dose rate electron beam useful for the study and test of dosimeters and beam monitors capable of meeting the challenges of flash radiotherapy.
L’argomento della tesi si colloca nell’ambito delle tecniche innovative per l’uso delle radiazioni ionizzanti a scopo terapeutico e, in particolare, si focalizza sull’emergente tecnica FLASH, che consiste in un singolo irraggiamento erogato in < 200 ms a ratei di dose molto elevati (> 40 Gy/s). Il motivo del forte interesse nei confronti della radioterapia flash è l’evidenza sperimentale per cui alti ratei di dose hanno sulle cellule tumorali il medesimo effetto dei ratei convenzionali, ma salvaguardano maggiormente i tessuti sani. Ad oggi vi sono pochi acceleratori costruiti appositamente per produrre fasci flash e quindi, per studiare questo effetto, si apportano delle modifiche agli acceleratori convenzionali. Al Dipartimento di Fisica di Torino è presente un LINAC per elettroni e fotoni con il quale è stato possibile iniziare l’iter di modifica per renderlo in grado di produrre fasci di elettroni di maggior intensità. Il mio lavoro di tesi ha contribuito alla caratterizzazione dosimetrica dell’acceleratore lineare (in modalità elettroni) prima e dopo le modifiche. Lo scopo principale della tesi è stato misurare la dose per impulso e la sua uniformità al variare dei parametri della macchina. Il setup sperimentale che ho utilizzato comprende due camere a ionizzazione cilindriche lette da un elettrometro a due canali, un fantoccio ad acqua 1D con un braccio motorizzato per la movimentazione di una delle due IC in profondità nell’acqua. La seconda IC viene fissata al di fuori dell’acqua, sul bordo del campo di irraggiamento del fascio ed è utilizzata come riferimento. In un primo momento si è caratterizzato il LINAC per fasci di elettroni di diverse energie (6-10-18 MeV) a ratei di dose media convenzionali (massimo 1 Gy⁄min). In seguito alle modifiche apportate all’acceleratore con l’aiuto di tecnici qualificati, si è caratterizzato il LINAC per quantificare i risultati ottenuti con fasci di maggior intensità. Si è, inoltre, introdotto un circuito elettronico in grado di leggere il numero di impulsi erogato dall’acceleratore, in modo da permettere la valutazione della dose/carica dei singoli impulsi. Le principali misure effettuate sono state delle curve di profondità della dose percentuali (PDD), da cui ho individuato l’indice di qualità dei vari fasci secondo il protocollo TRS-398 (standard per la dosimetria). Le misure di PDD ci hanno inoltre permesso di verificare l’energia del fascio (10 MeV) dopo la modifica. In seguito sono state fatte misurazioni a profondità fissata per valutare la carica integrata per impulso, la dose assorbita dal fantoccio e come queste mutano al variare della corrente di gun dell’acceleratore e della sua frequenza. L’obiettivo è di ottenere una carica per impulso costante al variare della frequenza del fascio; questo, al momento, si è verificato solamente in regime convenzionale e non per fasci flash. Le misure di carica integrata per impulso hanno permesso di stimare un aumento della carica di circa due ordini di grandezza dalla modalità convenzionale a quella modificata: per fasci di elettroni da 10 MeV e frequenza 12 Hz abbiamo calcolato 1 pC/impulso (convenzionale) e circa 100 pC/impulso (flash). La verifica dell’instabilità del fascio al variare della frequenza del LINAC ha individuato i futuri obiettivi da raggiungere prima di poter disporre di un fascio di elettroni ad alto dose rate utile per lo studio e il test di dosimetri e beam monitor in grado di affrontare le sfide della radioterapia flash.
Caratterizzazione dosimetrica di un LINAC modificato per erogare fasci di elettroni ad alta intensità
CAMPERI, AURORA
2021/2022
Abstract
L’argomento della tesi si colloca nell’ambito delle tecniche innovative per l’uso delle radiazioni ionizzanti a scopo terapeutico e, in particolare, si focalizza sull’emergente tecnica FLASH, che consiste in un singolo irraggiamento erogato in < 200 ms a ratei di dose molto elevati (> 40 Gy/s). Il motivo del forte interesse nei confronti della radioterapia flash è l’evidenza sperimentale per cui alti ratei di dose hanno sulle cellule tumorali il medesimo effetto dei ratei convenzionali, ma salvaguardano maggiormente i tessuti sani. Ad oggi vi sono pochi acceleratori costruiti appositamente per produrre fasci flash e quindi, per studiare questo effetto, si apportano delle modifiche agli acceleratori convenzionali. Al Dipartimento di Fisica di Torino è presente un LINAC per elettroni e fotoni con il quale è stato possibile iniziare l’iter di modifica per renderlo in grado di produrre fasci di elettroni di maggior intensità. Il mio lavoro di tesi ha contribuito alla caratterizzazione dosimetrica dell’acceleratore lineare (in modalità elettroni) prima e dopo le modifiche. Lo scopo principale della tesi è stato misurare la dose per impulso e la sua uniformità al variare dei parametri della macchina. Il setup sperimentale che ho utilizzato comprende due camere a ionizzazione cilindriche lette da un elettrometro a due canali, un fantoccio ad acqua 1D con un braccio motorizzato per la movimentazione di una delle due IC in profondità nell’acqua. La seconda IC viene fissata al di fuori dell’acqua, sul bordo del campo di irraggiamento del fascio ed è utilizzata come riferimento. In un primo momento si è caratterizzato il LINAC per fasci di elettroni di diverse energie (6-10-18 MeV) a ratei di dose media convenzionali (massimo 1 Gy⁄min). In seguito alle modifiche apportate all’acceleratore con l’aiuto di tecnici qualificati, si è caratterizzato il LINAC per quantificare i risultati ottenuti con fasci di maggior intensità. Si è, inoltre, introdotto un circuito elettronico in grado di leggere il numero di impulsi erogato dall’acceleratore, in modo da permettere la valutazione della dose/carica dei singoli impulsi. Le principali misure effettuate sono state delle curve di profondità della dose percentuali (PDD), da cui ho individuato l’indice di qualità dei vari fasci secondo il protocollo TRS-398 (standard per la dosimetria). Le misure di PDD ci hanno inoltre permesso di verificare l’energia del fascio (10 MeV) dopo la modifica. In seguito sono state fatte misurazioni a profondità fissata per valutare la carica integrata per impulso, la dose assorbita dal fantoccio e come queste mutano al variare della corrente di gun dell’acceleratore e della sua frequenza. L’obiettivo è di ottenere una carica per impulso costante al variare della frequenza del fascio; questo, al momento, si è verificato solamente in regime convenzionale e non per fasci flash. Le misure di carica integrata per impulso hanno permesso di stimare un aumento della carica di circa due ordini di grandezza dalla modalità convenzionale a quella modificata: per fasci di elettroni da 10 MeV e frequenza 12 Hz abbiamo calcolato 1 pC/impulso (convenzionale) e circa 100 pC/impulso (flash). La verifica dell’instabilità del fascio al variare della frequenza del LINAC ha individuato i futuri obiettivi da raggiungere prima di poter disporre di un fascio di elettroni ad alto dose rate utile per lo studio e il test di dosimetri e beam monitor in grado di affrontare le sfide della radioterapia flash.| File | Dimensione | Formato | |
|---|---|---|---|
|
838446_camperi_tesi.pdf
non disponibili
Tipologia:
Altro materiale allegato
Dimensione
3.92 MB
Formato
Adobe PDF
|
3.92 MB | Adobe PDF |
I documenti in UNITESI sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
https://hdl.handle.net/20.500.14240/53541