Realizzazione e convalida del modello Monte Carlo di un calibratore di attività per radiofarmaci

I calibratori di attività sono strumenti molto importanti per la pratica, diagnostica e terapeutica, in medicina nucleare, perché permettono di associare ad un radiofarmaco una misura accurata dell’attività dell’isotopo in esso contenuto; questo è fondamentale in quanto l’attività della sorgente esprime la quantità di farmaco somministrata al paziente. In questo lavoro è stato sviluppato il modello Monte Carlo di un calibratore di attività ampiamente diffuso nei laboratori di radiofarmacia (Capintec CRC-15), utilizzando il codice Monte Carlo FLUKA. Per realizzare il modello si è posta estrema attenzione nel riprodurre al meglio tutti i dettagli delle componenti geometriche della camera e dei campioni delle sorgenti radioattive utilizzati. A tale scopo, la camera di ionizzazione di un calibratore è stata studiata mediante imaging TAC. Un’analisi preliminare è stata eseguita valutando il confronto tra l’andamento sperimentale dell’efficienza della camera in funzione dell’energia dei fotoni incidenti e quello ottenuto in simulazione. In seguito si è proceduto con la validazione: si sono studiati a questo proposito la risposta del calibratore in funzione dell’altezza della sorgente e i confronti tra i fattori relativi (rispetto ad una sorgente certificata di 137Cs) e le misure di confronto sono state eseguite con diverse sorgenti certificate di 133Ba, 68Ge-68Ga, 177Lu ed uno standard tarato internamente di 99mTc. In tale modo, si è ricoperto l'intero campo di interesse dei principali radionuclidi impiegati nelle applicazioni diagnostiche e terapeutiche di Medicina Nucleare. Il modello sviluppato rappresenta un importante risultato per l’eventuale determinazione di nuovi fattori di calibrazione o per un futuro studio relativo all’ottimizzazione della risposta del calibratore.

Sviluppo e convalida di un modello Monte Carlo per ottenere le curve isodose all'interno di una sala a raggi x nell'ospedale clinico Universitario di Valencia

Per prevedere i campi di dose attorno a dispositivi radiologici, vengono sviluppati e validati, per mezzo di misure sperimentali, modelli Monte Carlo (utilizzando MCNP5). Lo scopo di questo lavoro è quello di valutare le dosi ricevute da persone che operano all'interno della sala di raggi X, mentre il tubo è in funzione. Il tubo utilizzato è un DI-1000/0.6-1.3 della azienda svizzera COMET AG. Per prima cosa si è ottenuto lo spettro di emissione dei raggi X con la Tally F5 simulando l'interazione di un fascio di elettroni contro un anodo di tungsteno. Successivamente, con una F4MESH, si è ricavato il flusso di fotoni in ogni cella della mesh tridimensionale definita sulla sala; la conversione a dose equivalente è ottenuta per mezzo di fattori di conversione estratti dal NIST. I risultati della Tally FMESH vengono confrontati con i valori di dose misurati con una camera di ionizzazione Radcal 1800 cc. I risultati sono ottenuti per le seguenti condizioni operative: 40 kVp, 100 mA, 200 mAs, fuoco fine e filtro in alluminio di spessore 0,8 mm. Confrontando con le misure sperimentali si osserva che tali valori differiscono da quelli simulati di circa un 10%. Possiamo quindi prevedere con buona approssimazione la distribuzione di dose mentre il tubo è in funzione. In questo modo è possibile ridurre al minimo la dose ricevuta dall'operatore.

Determinazione sperimentale della minima attivita rivelabile dei calibratori di attivita dei radionuclidi

I calibratori di attività dei radionuclidi sono strumenti fondamentali per la pratica diagnostica e terapeutica in Medicina Nucleare. Il loro ruolo principale è quello di quantificare accuratamente l’attività dei radiofarmaci somministrata ai pazienti, vengono pertanto progettati per avere una accuratezza di misura ottimale per attività relativamente alte. Lo scopo di questo studio è stato quello di determinare il livello di minima attività rivelabile (o Minimum Detectable Activity, MDA) di diversi modelli di calibratori di attività, al fine di estendere l’utilizzo di questi strumenti ad altre applicazioni. E’ stata quindi eseguita un’estesa campagna di misure sperimentali sui principali modelli di calibratori commercialmente distribuiti. Le modalità di misura della MDA sviluppate sono basate su un adattamento delle tecniche di riferimento per altri tipi di strumenti; tali tecniche, non solo rispondono all’obiettivo immediato, ma hanno permesso di dimostrare che è possibile una determinazione generalizzata della MDA di questa classe di apparecchiature. I risultati che verranno presentati sono stati ottenuti con una metodologia indipendente dal tipo di apparecchiatura e sono basati su misurazioni che possono essere replicate in ogni laboratorio.

Taratura di un calibratore di attività per radionuclidi emettitori di positroni a brevissimo tempo di dimezzamento

I calibratori di attività sono strumenti fondamentali in medicina nucleare, utilizzati da ogni struttura al fine di quantificare l’attività di radiofarmaco da somministrare al paziente. L'accurata taratura di questi strumenti richiederebbe la disponibilità di sorgenti di riferimento certificate per ciascun radionuclide di interesse; tuttavia vi è una importante serie di casi in cui questo metodo non è praticabile a causa delle caratteristiche del radionuclide, come ad esempio il brevissimo tempo di dimezzamento. Lo scopo di questo studio è stato determinare il fattore di taratura per un radioisotopo PET a brevissimo tempo di dimezzamento, il 11C, per il quale non sono commercialmente reperibili delle sorgenti certificate, eseguendo un’accurata misura dell’efficienza di rivelazione di un moderno rivelatore per spettrometria allo specifico valore di energia di 511 keV dei fotoni di annichilazione. Lo strumento utilizzato è un nuovo rivelatore a CZT (tellururo di cadmio-zinco), il Kromek GR1, un rivelatore compatto che opera a temperatura ambiente, caratterizzato da una interessante risoluzione energetica e da una efficienza di rivelazione contenuta, quest’ultima adeguata per l’analisi di campioni che hanno un’attività relativamente elevata, come di frequente accade nei siti di produzione dei nuclidi radioattivi. Le misure sperimentali sono state eseguite cercando di ottimizzare ogni passaggio al fine di minimizzare le incertezze, in modo da ottenere una stima accurata del fattore di taratura, secondo una modalità tracciabile ad uno standard accreditato NIST e riproducibile per qualunque altro radioisotopo PET. Potranno quindi essere constatati i fattori di taratura noti di altri radionuclidi e successivamente stimati i fattori per radioisotopi sperimentali anche mediante diversi modelli di calibratori.

Cyclotron production of 11^C: experimental assessment of saturation yield and validation with Monte Carlo simulation

Nell'ambito della Fisica Medica, le simulazioni Monte Carlo sono uno strumento sempre più diffuso grazie alla potenza di calcolo dei moderni calcolatori, sia nell'ambito diagnostico sia in terapia. Attualmente sono disponibili numerosi pacchetti di simulazione Monte Carlo di carattere "general purpose", tra cui Geant4. Questo lavoro di tesi, svolto presso il Servizio di Fisica Sanitaria del Policlinico "S.Orsola-Malpighi", è basato sulla realizzazione, utilizzando Geant4, di un modello Monte Carlo del target del ciclotrone GE-PETtrace per la produzione di C-11. Nel modello sono stati simulati i principali elementi caratterizzanti il target ed il fascio di protoni accelerato dal ciclotrone. Per la validazione del modello sono stati valutati diversi parametri fisici, tra i quali il range medio dei protoni nell'azoto ad alta pressione e la posizione del picco di Bragg, confrontando i risultati con quelli forniti da SRIM. La resa a saturazione relativa alla produzione di C-11 è stata confrontata sia con i valori forniti dal database della IAEA sia con i dati sperimentali a nostra disposizione. Il modello è stato anche utilizzato per la stima di alcuni parametri di interesse, legati, in particolare, al deterioramento dell'efficienza del target nel corso del tempo. L'inclinazione del target, rispetto alla direzione del fascio di protoni accelerati, è influenzata dal peso del corpo del target stesso e dalla posizione in cui questo é fissato al ciclotrone. Per questo sono stati misurati sia il calo della resa della produzione di C-11, sia la percentuale di energia depositata dal fascio sulla superficie interna del target durante l'irraggiamento, al variare dell'angolo di inclinazione del target. Il modello che abbiamo sviluppato rappresenta, dunque, un importante strumento per la valutazione dei processi che avvengono durante l'irraggiamento, per la stima delle performance del target nel corso del tempo e per lo sviluppo di nuovi modelli di target.

Ricostruzione di segnali multipli del rivelatore a tempo di volo (ToF) di ALICE: confronto fra dati e Monte Carlo

La fisica delle collisioni ad alte energie è, ad oggi, uno dei campi di ricerca più interessante per la verifica di modelli teorici che spieghino la nascita e la formazione dell'universo in cui viviamo. In quest'ottica lavorano esperimenti presso i più importanti acceleratori di particelle: tra questi anche l'esperimento ALICE, presso il Large Hadron Collider LHC del CERN di Ginevra. Il suo scopo principale è quello di verificare e ampliare l'insieme delle prove sperimentali alla base sull'esistenza di un nuovo stato della materia: il Quark Gluon Plasma. La presenza della transizione di fase della materia adronica ordinaria a QGP era stata teorizzata da diversi studi termodinamici e da calcoli di QCD su reticolo: in particolare si prevedeva l'esistenza di uno stato della materia in cui i quark sono deconfinati. Il QGP è dunque un plasma colorato e densissimo di quark e gluoni, liberi di interagire tra loro. Queste condizioni sarebbero state quelle dell'universo primordiale, circa 1µs dopo il Big Bang: a seguito di una transizione di fase, si sarebbe poi formata tutta la materia adronica ordinaria. Per riprodurre le condizioni necessarie alla formazione del QGP occorrono collisioni ad energie ultrarelativistiche come quelle prodotte, negli ultimi anni, dall'acceleratore LHC. Uno dei principali rivelatori dedicati all'identificazione di particelle in ALICE è il sistema a tempo di volo TOF. Nonostante un attento processo di ottimizzazione della risoluzione delle sue componenti, persistono residui errori strumentali che limitano la qualità (già ottima) del segnale, tutt'oggi oggetto di studio. L'elaborato presentato in questa tesi è suddiviso in tre capitoli: nel primo ripercorriamo gli aspetti teorici del Modello Standard e del Quark Gluon Plasma. Nel secondo descriviamo la struttura di rivelazione di ALICE, analizzando il funzionamento delle singole componenti. Nel terzo, infine, verifichiamo le principali correzioni al TOF ad oggi note, confrontando i dati a nostra disposizione con delle simulazioni Monte Carlo: questo ci permette da un lato di approfondirne la conoscenza, dall'altro di cercarne di migliorare la descrizione del comportamento del rivelatore.

Local Earthquake Tomography by trans-dimensional Monte Carlo Sampling

In this study a new, fully non-linear, approach to Local Earthquake Tomography is presented. Local Earthquakes Tomography (LET) is a non-linear inversion problem that allows the joint determination of earthquakes parameters and velocity structure from arrival times of waves generated by local sources. Since the early developments of seismic tomography several inversion methods have been developed to solve this problem in a linearized way. In the framework of Monte Carlo sampling, we developed a new code based on the Reversible Jump Markov Chain Monte Carlo sampling method (Rj-McMc). It is a trans-dimensional approach in which the number of unknowns, and thus the model parameterization, is treated as one of the unknowns. I show that our new code allows overcoming major limitations of linearized tomography, opening a new perspective in seismic imaging. Synthetic tests demonstrate that our algorithm is able to produce a robust and reliable tomography without the need to make subjective a-priori assumptions about starting models and parameterization. Moreover it provides a more accurate estimate of uncertainties about the model parameters. Therefore, it is very suitable for investigating the velocity structure in regions that lack of accurate a-priori information. Synthetic tests also reveal that the lack of any regularization constraints allows extracting more information from the observed data and that the velocity structure can be detected also in regions where the density of rays is low and standard linearized codes fails. I also present high-resolution Vp and Vp/Vs models in two widespread investigated regions: the Parkfield segment of the San Andreas Fault (California, USA) and the area around the Alto Tiberina fault (Umbria-Marche, Italy). In both the cases, the models obtained with our code show a substantial improvement in the data fit, if compared with the models obtained from the same data set with the linearized inversion codes.

A new PET prototype for proton therapy: comparison of data and Monte Carlo simulations

Ion beam therapy is a valuable method for the treatment of deep-seated and radio-resistant tumors thanks to the favorable depth-dose distribution characterized by the Bragg peak. Hadrontherapy facilities take advantage of the specific ion range, resulting in a highly conformal dose in the target volume, while the dose in critical organs is reduced as compared to photon therapy. The necessity to monitor the delivery precision, i.e. the ion range, is unquestionable, thus different approaches have been investigated, such as the detection of prompt photons or annihilation photons of positron emitter nuclei created during the therapeutic treatment. Based on the measurement of the induced β+ activity, our group has developed various in-beam PET prototypes: the one under test is composed by two planar detector heads, each one consisting of four modules with a total active area of 10 × 10 cm2. A single detector module is made of a LYSO crystal matrix coupled to a position sensitive photomultiplier and is read-out by dedicated frontend electronics. A preliminary data taking was performed at the Italian National Centre for Oncological Hadron Therapy (CNAO, Pavia), using proton beams in the energy range of 93–112 MeV impinging on a plastic phantom. The measured activity profiles are presented and compared with the simulated ones based on the Monte Carlo FLUKA package.

Simulazione Monte Carlo applicata all'analisi di scenari di intrusione salina in acquiferi costieri

Il presente elaborato analizza il problema dell'intrusione salina e valuta l'influenza dei parametri idrologici e idrogeologici sulle dinamiche del processo mediate simulazioni Monte Carlo. A scopo esemplificativo, l’intrusione salina viene studiata in condizioni stazionarie e nell’ipotesi di interfaccia netta. La tecnica di simulazione viene descritta a partire dai concetti statistici di base che includono la definizione delle distribuzioni di probabilità scelte per descrviere il comportamento dei parametri del modello concettuale e la procedura di campionamento di tali distribuzioni. Un codice in Matlab è stato realizzato per l’applicazione ad un semplice caso studio.

Verifica radioprotezionistica con tecniche Monte Carlo del bunker per radioterapia dell' ASMN-IRCCS di Reggio Emilia

Conoscere con dettaglio il campo di radiazione che si genera nell'utilizzo di un acceleratore lineare di elettroni durante una seduta di radioterapia è essenziale sia per i pazienti sia per gli operatori. L'utilizzo del codice Monte Carlo MCNPX 2.7.0 permette di stimare dati dosimetrici dettagliati in zone dove può essere complicato effettuare misurazioni.Lo scopo di questo lavoro è indagare il comportamento del fascio fotonico prodotto nel bunker di radioterapia dell'ASMN-IRCCS di Reggio Emilia, valutando con precisione in particolare la produzione di fotoneutroni secondari. L'obiettivo è la verifica dell'efficacia delle barriere offerte dalla struttura tenendo in considerazione anche il canale di penetrazione degli impianti di servizio che costituisce un punto di fuga per le radiazioni.

Simulazioni Monte Carlo delle proprietà ottiche di un rivelatore per misure di flusso di neutroni ad alta energia

I neutroni possono essere classificati in base all'energia e per anni lo studio sui neutroni si è focalizzato verso le basse energie, ottenendo informazioni fondamentali sulle reazioni nucleari. Lo studio per i neutroni ad alta energia (E >20 MeV) ha ultimamente suscitato un vivo interesse, poiché i neutroni hanno un ruolo fondamentale in una vasta gamma di applicazioni: in campo medico, industriale e di radioprotezione. Tuttavia le informazioni sperimentali (sezioni d'urto) in nostro possesso, in funzione dell'energia dei neutroni, sono limitate, considerando che richiedono la produzione di fasci con un ampio spettro energetico e delle tecniche di rivelazione conforme ad essi. La rivelazione dei neutroni avviene spesso attraverso il processo di scintillazione che consiste nell'eccitazione e diseccitazione delle molecole che costituiscono il rivelatore. Successivamente, attraverso i fotomoltiplicatori, la luce prodotta viene raccolta e convertita in impulsi energetici che vengono registrati ed analizzati. Lo scopo di questa tesi è quello di testare quale sia la migliore configurazione sperimentale di un rivelatore costituito da scintillatori e fotomoltiplicatori per quanto riguarda la raccolta di luce, utilizzando una simulazione Monte Carlo per riprodurre le proprietà ottiche di un rivelatore per misure di flusso di un rivelatore ad alta energia.

Monte Carlo Analysis and Physics Characterization of a Novel Nanoparticle Detector for Medical and Micro-dosimetry Applications

The outcomes for both (i) radiation therapy and (ii) preclinical small animal radio- biology studies are dependent on the delivery of a known quantity of radiation to a specific and intentional location. Adverse effects can result from these procedures if the dose to the target is too high or low, and can also result from an incorrect spatial distribution in which nearby normal healthy tissue can be undesirably damaged by poor radiation delivery techniques. Thus, in mice and humans alike, the spatial dose distributions from radiation sources should be well characterized in terms of the absolute dose quantity, and with pin-point accuracy. When dealing with the steep spatial dose gradients consequential to either (i) high dose rate (HDR) brachytherapy or (ii) within the small organs and tissue inhomogeneities of mice, obtaining accurate and highly precise dose results can be very challenging, considering commercially available radiation detection tools, such as ion chambers, are often too large for in-vivo use.

In this dissertation two tools are developed and applied for both clinical and preclinical radiation measurement. The first tool is a novel radiation detector for acquiring physical measurements, fabricated from an inorganic nano-crystalline scintillator that has been fixed on an optical fiber terminus. This dosimeter allows for the measurement of point doses to sub-millimeter resolution, and has the ability to be placed in-vivo in humans and small animals. Real-time data is displayed to the user to provide instant quality assurance and dose-rate information. The second tool utilizes an open source Monte Carlo particle transport code, and was applied for small animal dosimetry studies to calculate organ doses and recommend new techniques of dose prescription in mice, as well as to characterize dose to the murine bone marrow compartment with micron-scale resolution.

Hardware design changes were implemented to reduce the overall fiber diameter to <0.9 mm for the nano-crystalline scintillator based fiber optic detector (NanoFOD) system. Lower limits of device sensitivity were found to be approximately 0.05 cGy/s. Herein, this detector was demonstrated to perform quality assurance of clinical 192Ir HDR brachytherapy procedures, providing comparable dose measurements as thermo-luminescent dosimeters and accuracy within 20% of the treatment planning software (TPS) for 27 treatments conducted, with an inter-quartile range ratio to the TPS dose value of (1.02-0.94=0.08). After removing contaminant signals (Cerenkov and diode background), calibration of the detector enabled accurate dose measurements for vaginal applicator brachytherapy procedures. For 192Ir use, energy response changed by a factor of 2.25 over the SDD values of 3 to 9 cm; however a cap made of 0.2 mm thickness silver reduced energy dependence to a factor of 1.25 over the same SDD range, but had the consequence of reducing overall sensitivity by 33%.

For preclinical measurements, dose accuracy of the NanoFOD was within 1.3% of MOSFET measured dose values in a cylindrical mouse phantom at 225 kV for x-ray irradiation at angles of 0, 90, 180, and 270˝. The NanoFOD exhibited small changes in angular sensitivity, with a coefficient of variation (COV) of 3.6% at 120 kV and 1% at 225 kV. When the NanoFOD was placed alongside a MOSFET in the liver of a sacrificed mouse and treatment was delivered at 225 kV with 0.3 mm Cu filter, the dose difference was only 1.09% with use of the 4x4 cm collimator, and -0.03% with no collimation. Additionally, the NanoFOD utilized a scintillator of 11 µm thickness to measure small x-ray fields for microbeam radiation therapy (MRT) applications, and achieved 2.7% dose accuracy of the microbeam peak in comparison to radiochromic film. Modest differences between the full-width at half maximum measured lateral dimension of the MRT system were observed between the NanoFOD (420 µm) and radiochromic film (320 µm), but these differences have been explained mostly as an artifact due to the geometry used and volumetric effects in the scintillator material. Characterization of the energy dependence for the yttrium-oxide based scintillator material was performed in the range of 40-320 kV (2 mm Al filtration), and the maximum device sensitivity was achieved at 100 kV. Tissue maximum ratio data measurements were carried out on a small animal x-ray irradiator system at 320 kV and demonstrated an average difference of 0.9% as compared to a MOSFET dosimeter in the range of 2.5 to 33 cm depth in tissue equivalent plastic blocks. Irradiation of the NanoFOD fiber and scintillator material on a 137Cs gamma irradiator to 1600 Gy did not produce any measurable change in light output, suggesting that the NanoFOD system may be re-used without the need for replacement or recalibration over its lifetime.

For small animal irradiator systems, researchers can deliver a given dose to a target organ by controlling exposure time. Currently, researchers calculate this exposure time by dividing the total dose that they wish to deliver by a single provided dose rate value. This method is independent of the target organ. Studies conducted here used Monte Carlo particle transport codes to justify a new method of dose prescription in mice, that considers organ specific doses. Monte Carlo simulations were performed in the Geant4 Application for Tomographic Emission (GATE) toolkit using a MOBY mouse whole-body phantom. The non-homogeneous phantom was comprised of 256x256x800 voxels of size 0.145x0.145x0.145 mm3. Differences of up to 20-30% in dose to soft-tissue target organs was demonstrated, and methods for alleviating these errors were suggested during whole body radiation of mice by utilizing organ specific and x-ray tube filter specific dose rates for all irradiations.

Monte Carlo analysis was used on 1 µm resolution CT images of a mouse femur and a mouse vertebra to calculate the dose gradients within the bone marrow (BM) compartment of mice based on different radiation beam qualities relevant to x-ray and isotope type irradiators. Results and findings indicated that soft x-ray beams (160 kV at 0.62 mm Cu HVL and 320 kV at 1 mm Cu HVL) lead to substantially higher dose to BM within close proximity to mineral bone (within about 60 µm) as compared to hard x-ray beams (320 kV at 4 mm Cu HVL) and isotope based gamma irradiators (137Cs). The average dose increases to the BM in the vertebra for these four aforementioned radiation beam qualities were found to be 31%, 17%, 8%, and 1%, respectively. Both in-vitro and in-vivo experimental studies confirmed these simulation results, demonstrating that the 320 kV, 1 mm Cu HVL beam caused statistically significant increased killing to the BM cells at 6 Gy dose levels in comparison to both the 320 kV, 4 mm Cu HVL and the 662 keV, 137Cs beams.