L’Agenzia Internazionale per la Ricerca sul Cancro ha stimato un rischio del 25% di incidenza tumorale nella popolazione europea. Si prevede che i casi aumentino, raggiungendo i 23,6 milioni di nuovi tumori all’anno entro il 2030, con un enorme costo per il sistema sanitario e i cittadini.  La prevenzione e la diagnosi precoce rimangono strumenti fondamentali, e l’imaging nucleare svolge un ruolo importante per la diagnosi non invasiva.  Al contempo, il trattamento di tumori attraverso radioterapia con fotoni e particelle cariche è in continuo sviluppo. Una profonda sinergia tra il mondo della ricerca tecnologica, la fisica applicata e il mondo della clinica ha portato un innalzamento della qualità dei trattamenti grazie ad un impiego di tecniche innovative di irraggiamento/monitoring e pianificazione via via più efficienti ed efficaci.  L’imaging diagnostico e il trattamento dei tumori con la radioterapia e terapia innovativa sono due aspetti fondamentali di questa linea di ricerca. 

Il miglioramento delle prestazioni delle tecniche di imaging nucleare riveste un ruolo fondamentale. Le tecniche di imaging medico di tipo teragnostico sfruttano le radiazioni per monitorare i processi fisiologici all’interno del corpo del paziente durante la somministrazione del radiotracciante potenzialmente anche nella fase successiva, grazie allo sviluppo di dosimetria indossabile.

La Terapia con Particelle Cariche (CPT) utilizzando protoni e ioni di carbonio è una valida alternativa ben consolidata alla radioterapia (RT) con fotoni per il trattamento del cancro, in combinazione/o come alternativa alla rimozione chirurgica e la chemioterapia. Tuttavia, i vantaggi dei trattamenti CPT nella precisione balistica del rilascio della dose non sono ancora pienamente sfruttati. Una grande frazione di medici e fisici medici considera ancora l’incertezza del range del fascio come uno dei principali ostacoli affinché la CPT diventi una pratica comune, poiché sono necessari ampi fattori di sicurezza, riducendo il suo potenziale impatto e l’efficacia della terapia.  In questo contesto nasce la necessità di progettare, costruire e testare un rivelatore, in grado di rilevare molteplici tipi di particelle secondarie, inclusi protoni, fotoni prompt e neutroni, al fine di monitorare i trattamenti. Il progetto è ambizioso, poiché attualmente non esistono rivelatori in grado di operare in tempo reale; il vantaggio di un rivelatore tracciante è la possibilità di integrare un gran numero di tracce per poi avvalersi in fase di ricostruzione di reti neurali addestrate a questa tipologia di eventi.

Questa linea di ricerca vuole contribuire allo studio di tecniche di imaging nucleare e allo sviluppo di tool dedicati alla misura delle sezioni d’urto nucleari, al monitor dei trattamenti e allo sviluppo di strumenti di advanced computing e Intelligenza Artificiale per la pianificazione e il monitoring di trattamenti radioterapici innovativi.

Imaging Diagnostico. Per superare le limitazioni, si sta sviluppando un rivelatore di raggi γ indossabile, consentendo un campionamento temporale denso della curva tempo-attività di washout (TAC). Questo approccio permette la caratterizzazione della farmacocinetica specifica del paziente, rendendo possibile la personalizzazione dell’attività da somministrare nei cicli di trattamento successivi. Per garantire l’aderenza del paziente, i rivelatori sono progettati per essere compatti e leggeri, basati su scintillatori plastici drogati con elementi ad alto numero atomico (high-Z). In questo contesto, la fattibilità e le prestazioni attese del sistema di rivelazione proposto in condizioni clinicamente realistiche vengono studiate mediante simulazioni Monte Carlo. Un tale approccio personalizzato potrebbe aumentare significativamente la sopravvivenza media dei pazienti, attualmente pari a circa 30 mesi.

Radioterapia Innovativa. Il CREF partecipa all’esperimento FOOT, finanziato dall’INFN, con il quale si vogliono misurare le sezioni d’urto doppio differenziali in angolo ed energia per i frammenti prodotti dei fasci utilizzati in CPT sugli elementi costituenti della materia del corpo umano. 

L’obiettivo di punta di questa linea di ricerca è quello di sviluppare tracciatore compatto e affidabile per monitorare in tempo reale la radiazione secondaria prodotta durante i trattamenti. Questo dispositivo consentirà di verificare i cambiamenti morfologici del paziente, monitorare la distribuzione della dose assorbita e la radiazione neutronica indotta, sfruttando una matrice di tracciatori di fibre scintillanti con elettronica personalizzata, ottimizzata tramite simulazioni Monte Carlo rapide.