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Mara Bruzzi, il progetto PRIMA, 20 Settembre 2005, Napoli, INFN Commissione V

il Progetto PRIMA

Proposta di progettoINFN Commissione V

PRoton IMAging and conformalradiotherapy dosimetry by

segmented silicon detectors

Mara BruzziINFN and University of

Florence

Sezioni di Catania, Firenze e LNS


Outline

- Motivazioni ed obiettivi del progetto

- Proton Trasmission Radiography- Attività di ricerca preliminare MOPI

- Dosimetro 2D per verifiche pre-trattamento IMRT-Attività di ricerca preliminare

- Programma di lavoro

- Man – Power

- Richieste finanziarie


Perché PRIMA?•Radioterapia

•Tecniche di irraggiamento complessoper rilasciare alte dosi ai volumi bersaglio,risparmiando gli organi a rischio:

Per non vanificare le potenzialitàofferte da queste tecniche,l’accuratezza deve essere elevata inogni fase del processo radioterapico:

POSIZIONAMENTO DEL PAZIENTECALCOLO DELLA DISTRIBUZIONE

DI DOSE


ObiettiviSviluppo di strumentazione avanzata, basata su rivelatori asilicio segmentato, per le seguenti applicazioni inradioterapia:

- Proton Trasmission Radiography. Imaging deltumore mediante fascio radioterapico di protoniutilizzando un telescopio al Si basato su rivelatorimicrostrip al silicio

- 2D dose mapping in IMRT* and proton beams.Mappa della distribuzione di dose per verifiche pre-trattamento e in-vivo mediante singoli piani di Si pixels.*Intensity Modulated RadioTherapy


Utilizzando i protoni sia per l’imaging che per il trattamento si hanno iseguenti vantaggi

• Diminuzione della incertezza (attualmente 5 – 10 mm) del range deiprotoni nel tessuto e quindi conseguente aumento della accuratezza nelcalcolo della dose da parte dei sistemi per la pianificazione deltrattamento.

• Possibilità di verifica del posizionamento del paziente prima di ognisessione di trattamento.

• Inferiore dose rilasciata al paziente rispetto alla CT convenzionale

• Aumento della risoluzione a basso contrasto (possibilità di ottenereimmagini della localizzazione dei tumori senza l’uso di mezzi dicontrasto)

I vantaggi dell’imaging con protoni


La buona risoluzione spaziale ed energetica dell’intero sistema di PRotonIMAging è ottenuta:

(1) misurando la traccia di ciascun protone mediante telescopio al silicio inentrata ed uscita ed energia con calorimetro in uscita

(2) Mediante la ricostruzione del cammino più probabile di ciascun protoneattraverso il tessuto (Most Likely Path MLP) con metodi di simulazione eopportuno confronto con studi sperimentali

Parametri tipici PTR

> 1000 GyRadiation hardness< 1%Risoluzione in densità elettronica< 1 mmRisoluzione spaziale103 – 107 protoni/secIntensità del fascio250-270 MeVEnergia fascio di protoniValoreParametro


Proton Trasmission Radiography: Il PrincipioIl dispositivo si basa sull’idea di misurare singolarmente sial’energia che la direzione di ogni protone incidente.


Ricostruzione del cammino più probabile del protone neltessuto (Most Likely Path MLP)

In questo esperimento ci si propone anche di :

i) Determinare i MLP con metodo MonteCarlo, utilizzando toolkitGEANT4

ii) Confrontare i risultati del calcolo con i dati ottenuti dal tracciatoreper mezzo dei piani mobili inseriti nel fantoccio segmentato


L’

B

L’’

C

L

A

(A) Noti posizione e angolo in entrata: Linea retta L(B) Noti posizione e angolo in entrata e posizione in uscita: Linea retta L’(C) Noti posizione e angolo in entrata ed in uscita : cammino curvo L”

Determinazione delle condizioni al contorno


I telescopi misurano la posizione delprotone in entrata ed uscita su un’ areadi 4cm x 4cm.

Il calorimetro (5cmx5cm) misural’energia in uscita.

Un modulo mobile tra gli assorbitorimisura lo spostamento 2-D del fascioin diverse posizioni nell’assorbitoresegmentato tessuto equivalente (12lastre PMMA di spessore 1.25cm ).

Test Beam LLUMC - Maggio 2005

Collaborazione: INFN Firenze – Catania – LNSSCIPP UCSC e Loma Linda Univ. Medical Center

0 270 z (mm)

Attività di ricerca preliminare svolta in MOPI - 2005

calorimetro


Risoluzione del calorimetro CsI(Tl )

• Proton energyresolution muchbetter than energystraggling (~1%)


Set-up del sistema


First ResultsCorrelation between exit displacementand angle

• Without AbsorberMap out Beam DispersionLimited by Beam Spread

• With AbsorberAngular Spread by multiple scattering ~ 3 °Strong correlation between angle anddisplacement due to multiple scattering


First MLP in PMMA absorber

Preliminary results show good agreement between experimental and simulated mostlikely paths. Expected width ( theoretical ) of the banana in the middle of thephantom is 380µm due to multiple scattering: we get 450µm (higher due to beamdivergence) .

Error due beam divergence ~ 5 strips = 340µm


Riassunto risultati preliminari test beam

• I risultati preliminari del test beam mostrano che ilmetodo di Proton imaging basato sulla misura asingolo evento è fattibile

• La buona risoluzione garantita dalla tecnologia al siliciopermette la progettazione di uno strumento compatto edi dimensioni ridotte

• I primi risultati mostrano che la localizzazione dellaposizione nel fantoccio è nell’ordine di 500µm

• I primi confronti con la simulazione sono in atto(GEANT4 and analytical “banana”)

• L’analisi dei dati del calorimetro è in corso


•ObiettivoSviluppo di un dispositivo per verifichedosimetriche pre-trattamento ditrattamenti radioterapici, dove si richiedeuna buona risoluzione spaziale e un’altasensitività alla dose assorbita.

Dosimetria bidimensionale intrattamenti con protoni e fotoni


Nel caso dei fasci di fotoni la conformazione delladistribuzione di dose ai volumi da irradiare si puòottenere con tecniche quali la Stereotassi o IMRT(Intensity Modulated Radiation Therapy)


Sistemi al silicio attualmente in commercio perla verifica bidimensionale della dose pre-trattamento

Rivelatore MapCHECK. Matrice di diodi al Si. 445 pixel su area di 22 cmX 22cm.

Nel corso del 2005, nel progetto europeo MAESTRO e nel progetto CONRADdi gruppo V alcuni dei proponenti hanno sviluppato un dosimetro segmentatoa macro-pixel con dimensione del pixel e passo tra celle attive di 1-3mm, perapplicazioni in IMRT e protoni.


• Measured sensor sensitivity:• 50-60 pA/(cGy/min)

• Minimum current: 10 pA

• Dynamic Range:• 3 orders of magnitude• For instance:• 1 cGy/min - 10 Gy/min

• Expected sensitivity:• ∼40 pA/(cGy/min)

Parametri dosimetro 2D

Test sotto fascio IMRT prototipo 16 canali


Sistema a singolo modulo 6x6cm2 realizzato quest’anno dal gruppo del Dipartimentodi Fisiopatologia Clinica dell’Università di Firenze nell’ambito del progetto europeoMAESTRO del VI programma quadro. Prodotto da ITC-IRST. Matrice di pixels disilicio resistente al danno da radiazione. Sistema dotato di elettronica di read-out perun totale di 441 canali.

Prototipo su scala ridotta sviluppato all’interno di Maestro


A) Telescopio al Si per la determinazione delle posizioni e degli angoli dientrata ed uscita. Piani mobili inseriti in materiale tessuto equivalentesegmentato per la determinazione del cammino più probabile dei protoni nelmezzo.

B) Calorimetro per la misura dell’energia del protone.

C) Ricostruzione del cammino più probabile del protone nel mezzo

Telescopioin entrata

Fascio protoni

Moduli mobiliTelescopio in uscita

Calorimetro

Piani di materiale tessutoequivalente

Programma del progetto 1. PTR


Ogni modulo è composto da due piani ciascuno con un rivelatore amicrostrip di silicio e relativa elettronica di read-out. I due rivelatorisiano ruotati di 90°. Su ogni piano vengono implementati : il rivelatore,l’elettronica VLSI di lettura delle strips ed una FPGA.

Caratteristiche Rivelatore Si

o singola facciao AC coupledo Si Float Zone 4”o 6.3x6.3cm2

o Resistività 2- 6kΩcmo Spessore 300µmo Passo 100-250µmo Strip width 25µm

(A) Telescopio al Si - Modulo XY - 1. Rivelatore


Si compone di : pre-amplificatore, formatore, comparatore.

Carica rilasciata dal protone integrata e filtrata - segnale di tensionecomparato con soglia pari ad almeno 6 volte la sigma del rumore: iltutto da un unico VLSI. Uscita di ogni comparatore collegatadirettamente ad un ingresso FPGA. La FPGA connessa al primorivelatore genera un segnale di trigger per tutte le altre FPGA e per lascheda DAQ del calorimetro.

Schema di principio del VLSI

Tecnologia utilizzata: CMOS AMS 0.35µm.sensibilità read-out analogico 1V/MeV;tempo di formazione: 300ns;formatore del tipo RC-CR2;rumore previsto 2000-3000e (1keV = 1mV);sensibilità circa 5mV;soglia comparatore 6-10 volte il rumore.

2. Elettronica di read-out


(B) Calorimetro 1. Scelta del materiale

stopping power YAP(Ce) p 240MeV

- YAP (Ce) molto promettente perrisposta, densità e resa luminosa; non cisono in bibliografia dati di misure conprotoni.

Abbiamo testato il CsI(Tl ) a LLUMCcon ottimi risultati di risoluzione, ma abasso rate. Per un utilizzo ad alto ratequesto materiale non va bene per viadella costante di tempo di decadimentodella componente lenta di luce. Il CsInon dopato in alternativa non ha lacomponente lenta di luce quindi cipermetterebbe di raggiungere un rate di106 p/s.

Proponiamo confronto diretto CsI vs.YAP con test beam di protoni aLLUMC.


Il layout del rivelatore è stato progettato per un modulo di 6x6cm2, il processo delrivelatore sarà completato nell’estate 2005 presso ITC-IRST in Trento, su wafer4”di silicio epitassiale tipo p.Il materiale e la geometria della cella pixel sono state ottimizzate studiando lasensibilità e la resistenza alla radiazione di diodi a singolo pad prodotti con siliciocresciuto con diverse tecniche ( Czochralski, Float Zone, epitassiale) di diversospessore, area attiva e provvisti di varie strutture a guard ring.

Fig.6 Visione f rontale della matrice di diodi per v erif iche di dose pre-trattamento (sinistra) – Dettaglio di un angolo della matricecon isole per contatti, guard ring e routing strips (destra).

2. Dosimetro 2D


Estensione del dosimetro bidimensionale su area 18x18cm2. Nove moduliassemblati su un piano. Elettronica di read-out basata su chip WellhoferTERA 06 per un sistema di complessivi 4000 canali. Estensione su larga scalanon prevista all’interno di MAESTRO.

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• Acquisizione dei rivelatori di silicio e loro caratterizzazione elettrica

• Sessione di misura presso il Loma Linda University Medical Centerutilizzando il sistema di proton imaging già esistente per il test sulpercorso più probabile del protone nel fantoccio e relativavalidazione delle simulazioni.

• Test presso Loma Linda University Medical Center per confrontocalorimetro YAP e Cesio non dopato con un’elettronica standard

• Produzione elettronica di lettura moduli strip del PTR; sviluppo di unprimo prototipo di calorimetro;

• simulazione: valutazione di una proiezione di distribuzione diperdita di energia per un fantoccio non omogeneo.

Programma I anno


Programma II anno

• Produzione e calibrazione di modulo stripcompleto PTR

• Test a Loma Linda con fantoccio disomogeneoe simulazione: ricostruzione dell’immagine, delpercorso più probabile e stima dose.

• Sviluppo elettronica di read-out per sistema di 9moduli macropixels (20x20cm2) per IMRT


Programma III anno

• Meccanica ed assemblaggio prototipo• Caratterizzazione dei sistemi con protoni

a Catania e IMRT a Firenze• Prove preliminari del sistema PTR sotto

fascio di protoni (e.g. PSI)


Risorse Umane

• Firenze ricercatori 6fte + tecnici 0.5fte• Catania ricercatori 6.4 fte• LNS 2.75 fte


Richiesta Finanziariasu 3 anni

• Sezione di Firenze 117 kEur

• Sezione di Catania 93 kEur

• LNS 85 kEur

Date post:	20-Jul-2020
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