L'adroterapia è una soluzione efficace per il trattamento di tumori specifici. L'efficacia della terapia con ioni pesanti è superiore a quella dei trattamenti radioterapici convenzionali. Il motivo principale deriva dal fatto che gli adroni hanno la capacità di penetrare facilmente nel corpo del paziente e di depositare la maggior parte della loro energia a una profondità specifica, corrispondente al picco di Bragg. Per migliorare questa terapia è utile irraggiare il tumore da più angolazioni, per risparmiare il più possibile i tessuti sani e gli organi a rischio da dose indesiderata. A tale scopo è necessario utilizzare un gantry, una linea ottica di trasferimento che ruota attorno al paziente e consente di irraggiare il tumore da più direzioni. Tuttavia, ad oggi, solo due strutture sono dotate di gantry a ioni carbonio. Nonostante i loro vantaggi, le difficoltà legate ai loro costi elevati e alle grandi dimensioni rappresentano un serio limite alla loro diffusione. L'obiettivo principale di questa tesi è quindi quello di trovare layout ottici innovativi per la progettazione di gantry di ioni di carbonio più compatti e leggeri. A tal fine, consideriamo nel layout ottico lo stato dell'arte dei magneti superconduttori: dipoli 4T a funzioni combinate. L'alto valore di campo magnetico permette di ridurre la dimensione dei magneti, mentre la possibilità di focalizzare o defocalizzare il fascio permette di diminuire il numero di quadrupoli lungo la linea, riducendo ulteriormente l'intera dimensione. Lo studio del gantry è stato suddiviso in due fasi. Il primo è stato lo studio dell'ottica di fascio. A tale scopo, è stato impiegato un codice ben consolidato per la simulazione di ottiche per particelle cariche: MAD-X. Questo codice è stato sviluppato al CERN e già utilizzato per l'acceleratore e le linee di trasporto al CNAO. Utilizzando MAD-X, sono state definite la geometria e l'ottica dell'intero gantry. Quindi la linea è stata ottimizzata per soddisfare le specifiche cliniche per l'irraggiamento del paziente variando i gradienti degli elementi magnetici. Inoltre, sono stati introdotti errori di allineamento e di campo, e i loro effetti sono stati corretti mediante l'inclusione di monitor e magneti correttori. Attraverso questo processo è stato possibile studiare una grande varietà di soluzioni ottiche. Tuttavia, questi studi sono limitati a un'ottica lineare e all'approssimazione del modello hard edge, in cui i campi magnetici sono zero nella sezione priva di magneti e assumono un valore costante all'interno dei magneti. Per fornire una migliore descrizione del comportamento del fascio di particelle all'interno dei dipoli superconduttori, la seconda fase di questo lavoro è stata il tracking del fascio all'interno di una mappa di campo 3D di un dipolo a funzione combinata. In questo modo è stato possibile seguire passo per passo la traiettoria delle particelle all'interno della mappa di campo. Utilizzando questi risultati siamo stati in grado di valutare i parametri del magnete, la sua matrice di trasferimento e le componenti non-lineari del campo. L'approccio sviluppato in questo lavoro può favorevolmente essere implementato per rappresentare i dipoli 4T a funzioni combinate in MAD-X con matrici di trasferimento più accurate, e ulteriormente definire elementi non-lineari per tenere conto di queste componenti.
Hadrontherapy is an effective solution for the treatment of specific cancers. In these cases, the efficacy of heavy ion therapy is superior than conventional radiotherapy treatments. The main reason is that hadrons have the capability to easily penetrate in the human body and to deposit most of their energy in correspondence of a specific depth, corresponding to the "Bragg peak". To further improve this therapy technique it is useful to irradiate the tumour from multiple angles, to spare as much as possible from undesired irradiation the healthy tissues and organs at risk. To this purpose, it is necessary to use a gantry, a magnet transfer line that rotates around the patient and allows the tumour to be irradiated from multiple directions. However, to date, only two facilities worldwide are equipped with carbon-ion gantries. Despite their benefits, the difficulties related to their high costs and large dimensions represent a serious limit to their spreading. In view of the foreseen realization of a gantry at CNAO (National Centre for Oncological Hadrontherapy) in Pavia, the main objective of this thesis work, therefore, consists of finding innovative optical layouts for the design of more compact and lighter carbon ion gantries. To this aim, in the optical layout, we consider the state of the art of superconducting magnets: combined function 4T dipoles. The high field value allows reducing the dimensions of the magnets, whereas the possibility to focus or de-focus the beam permits to reduce the number of quadrupoles along the line, further reducing the whole dimensions. The study of the gantry was divided into two steps. The first step consisted of the study of the beam optics. To this purpose, a well established code for charged-particle optics design was employed: MAD-X. This code has been developed at CERN and has already been used for the accelerator and transport lines at CNAO. Using MAD-X, it was possible to define the geometry and the optics of the whole gantry. Afterwards, the line was optimized to fulfil the clinical specifications for the beam at the patient, by varying the gradients of the magnetic elements. In addition, misalignment and field errors were introduced, and their effects were corrected by the inclusion of monitors and corrector magnets. Thanks to this process it was possible to study a large variety of optics solutions. However, these studies are limited to a linear beam optics and a hard edge model approximation, where the magnetic fields are zero in the magnet free section and assume a constant value within the magnets. To provide a better description of the behaviour of the particle beam inside the superconducting dipoles, the second step of this work was the tracking of the beam inside a 3D field map of a combined function dipole. This way, it was possible to follow step-by-step the trajectory of the particles inside the field map. Using these results we were able to evaluate the parameters of the magnet, its transfer matrix, and the non-linear field components. The approach developed in this work can lead to the possibility of representing the combined function 4T dipoles in MAD-X with more accurate transfer matrices, as well as defining non-linear elements to take these components into account.
INVESTIGATION ON C-ions SUPERCONDUCTING GANTRY FOR HADRONTHERAPY
FRISELLA, GUGLIELMO
2020/2021
Abstract
L'adroterapia è una soluzione efficace per il trattamento di tumori specifici. L'efficacia della terapia con ioni pesanti è superiore a quella dei trattamenti radioterapici convenzionali. Il motivo principale deriva dal fatto che gli adroni hanno la capacità di penetrare facilmente nel corpo del paziente e di depositare la maggior parte della loro energia a una profondità specifica, corrispondente al picco di Bragg. Per migliorare questa terapia è utile irraggiare il tumore da più angolazioni, per risparmiare il più possibile i tessuti sani e gli organi a rischio da dose indesiderata. A tale scopo è necessario utilizzare un gantry, una linea ottica di trasferimento che ruota attorno al paziente e consente di irraggiare il tumore da più direzioni. Tuttavia, ad oggi, solo due strutture sono dotate di gantry a ioni carbonio. Nonostante i loro vantaggi, le difficoltà legate ai loro costi elevati e alle grandi dimensioni rappresentano un serio limite alla loro diffusione. L'obiettivo principale di questa tesi è quindi quello di trovare layout ottici innovativi per la progettazione di gantry di ioni di carbonio più compatti e leggeri. A tal fine, consideriamo nel layout ottico lo stato dell'arte dei magneti superconduttori: dipoli 4T a funzioni combinate. L'alto valore di campo magnetico permette di ridurre la dimensione dei magneti, mentre la possibilità di focalizzare o defocalizzare il fascio permette di diminuire il numero di quadrupoli lungo la linea, riducendo ulteriormente l'intera dimensione. Lo studio del gantry è stato suddiviso in due fasi. Il primo è stato lo studio dell'ottica di fascio. A tale scopo, è stato impiegato un codice ben consolidato per la simulazione di ottiche per particelle cariche: MAD-X. Questo codice è stato sviluppato al CERN e già utilizzato per l'acceleratore e le linee di trasporto al CNAO. Utilizzando MAD-X, sono state definite la geometria e l'ottica dell'intero gantry. Quindi la linea è stata ottimizzata per soddisfare le specifiche cliniche per l'irraggiamento del paziente variando i gradienti degli elementi magnetici. Inoltre, sono stati introdotti errori di allineamento e di campo, e i loro effetti sono stati corretti mediante l'inclusione di monitor e magneti correttori. Attraverso questo processo è stato possibile studiare una grande varietà di soluzioni ottiche. Tuttavia, questi studi sono limitati a un'ottica lineare e all'approssimazione del modello hard edge, in cui i campi magnetici sono zero nella sezione priva di magneti e assumono un valore costante all'interno dei magneti. Per fornire una migliore descrizione del comportamento del fascio di particelle all'interno dei dipoli superconduttori, la seconda fase di questo lavoro è stata il tracking del fascio all'interno di una mappa di campo 3D di un dipolo a funzione combinata. In questo modo è stato possibile seguire passo per passo la traiettoria delle particelle all'interno della mappa di campo. Utilizzando questi risultati siamo stati in grado di valutare i parametri del magnete, la sua matrice di trasferimento e le componenti non-lineari del campo. L'approccio sviluppato in questo lavoro può favorevolmente essere implementato per rappresentare i dipoli 4T a funzioni combinate in MAD-X con matrici di trasferimento più accurate, e ulteriormente definire elementi non-lineari per tenere conto di queste componenti.È consentito all'utente scaricare e condividere i documenti disponibili a testo pieno in UNITESI UNIPV nel rispetto della licenza Creative Commons del tipo CC BY NC ND.
Per maggiori informazioni e per verifiche sull'eventuale disponibilità del file scrivere a: unitesi@unipv.it.
https://hdl.handle.net/20.500.14239/14176