5
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.
6
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
7
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.
8
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.
9
Energia nominale
(MeV)
3 5 7 9
0E (MeV) 4 4,7 5,8 6,8
zmax (cm) 0,7 1,0 1,2 1,3
Ezmax(MeV) 2,7 2,6 3,3 4,0
R50 (cm) 1,7 2,0 2,5 2,9
Rp (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.DEB000
2318 (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.
10
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.
11
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
NOVAC7 con 0E = 5,8 MeV (campo di diametro pari a 10 cm con DSS=100 cm). La camera
a ionizzazione utilizzata era posta in perspex al build-up di 1,1 cm (equivalente a 1,2 cm in
acqua).
0,0550
0,0555
0,0560
0,0565
0,0570
0,0575
0,0580
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
n. impulsi
s
e
g
n
al
e
ca
m
er
a i
on
izz
az
zio
ne
(n
c/
im
p)
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
build-up
z=1,2 cm
12
CAPITOLO II - Film radiocromici GafChromic MD-55-2
In questo capitolo sono riportate le misure relative alla caratterizzazione dosimetrica
delle lastre radiocromiche GafChromic MD-55-2. 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 cm2, 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, I0, ed intensità della radiazione trasmessa, I: OD= log (I0/I)
13
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 Zeff= 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.
14
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 Zeff= 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 Zeff ≈ 25 e circa
la metà di quella dei dosimetri a termoluminescenza (TLD) di maggiore impiego, che
hanno uno Zeff = 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 60Co [13]
15
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 60Co a differenti dosi e a differenti ratei di dose [7].
Fig.5 Risposta delle lastre MD-55-2 all’irraggiamento con radiazione gamma di 60Co 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 .
16
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
17
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 cm2 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-55-2. 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 .
18
Fig.7 Valori della risoluzione spaziale lungo la direzione x (♦) (linea continua) e lungo la direzione y
(5) (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 (5) (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 I0 e poi acquisire la immagine
della lastra di cui si vuol determinare la OD, corrispondente al valore di intensità
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