la ricerca
Radio e Adroterapia
La radio terapia convenzionale, ad oggi capillarmente diffusa, potrebbe cambiare in modo sostanziale: è stato dimostrato che la somministrazione di una determinata dose in un lasso di tempo molto ristretto aumenta l’efficacia del trattamento, riducendo il danno ai tessuti sani e limitando l’insorgenza di effetti collaterali come tumori secondari. Questo fenomeno viene chiamato effetto Flash.
Il Progetto FlashDC – Flash Dosimeter Counter – si colloca nell’ambito della ricerca per la Scienza della Vita. In particolare, FlashDC si prefigge di sperimentare l’efficacia ed i benefici dell’applicazione di un elevato rateo di dose sulle cellule tumorali sviluppando un rivelatore innovativo per il monitoring e la caratterizzazione dei fasci di elettroni in modalità Flash basato sulla tecnica di rivelazione della fluorescenza. Ad oggi lo sviluppo di strumenti che permettono di eseguire il monitor di fasci Flash rappresenta il maggior ostacolo alla reale applicazione di questa tecnologia.
Si intende procedere con le seguenti attività:
- Misure a fasci di elettroni erogati in modalità flash di un sistema di rivelatore di monitoring ottimizzato: sulla base dei risultati ottenuti nel 2022-2023 si vuole disegnare ed implementare un sistema di beam monitor commercializzabile ed utilizzabile in ambiente clinico.
- Analisi dei dati raccolti e caratterizzazione del detector in termini di risoluzioni nella misura dei parametri di interesse. I prototipi e i rivelatori ottimizzati verranno dunque testati in laboratorio e presso fasci terapeutici al fine di verificarne il corretto funzionamento, di evidenziarne i punti di forza e di mettere in luce gli eventuali elementi critici.
- Valutazione tramite lo sviluppo di una simulazione Monte Carlo delle caratteristiche del detector in via di sviluppo, valutazione del segnale e dei fondi attesi.
Le principali tecnologie SPECT attuali sono le Anger Camera e i rivelatori basati su CZT. Le Anger Camera utilizzano un cristallo scintillante di NaI(Tl) letto da PMT, offrendo costi contenuti ma limitazioni come bassa gestione di alte rate e incompatibilità con ambienti MRI. I rivelatori CZT digitalizzano direttamente le radiazioni gamma, garantendo alta velocità, compatibilità MRI e ottima risoluzione spaziale, ma il loro costo elevato e complessità produttiva ne limitano l’adozione. Il sistema ReSPECT mira a superare queste limitazioni.
Le sezioni d’urto di produzione dei frammenti secondari carichi prodotti durante i trattamenti di CPT dal target e dal bersaglio sono oggetto di continuo studio e misure al fine di permettere una definizione sempre più accurata della fisica alla base dello sviluppo dei piani di trattamento (TPS).
Inoltre, la radiazione secondaria prodotta dai neutroni deve essere caratterizzata sperimentalmente con alta precisione, per migliorare la valutazione dell’insorgenza di neoplasie maligne secondarie e definire la finestra terapeutica del trattamento. Ad oggi non esiste una completa caratterizzazione delle sezioni d’urto di produzione dei neutroni nel range energetico di interesse per CPT.
La radioterapia UHDR e i progressi tecnologici negli acceleratori compatti per elettroni riaprono la strada all’uso degli elettroni di alta energia (VHEE) per il trattamento di tumori profondi. Innovazioni come i LINAC a banda C e X, capaci di raggiungere gradienti di accelerazione più elevati, e la scoperta dell’effetto FLASH hanno rinnovato l’interesse per la terapia VHEE. Tuttavia, la mancanza di un sistema di pianificazione terapeutica (TPS) dedicato rappresenta un ostacolo significativo alla sua implementazione. Un TPS è fondamentale per pianificare e calcolare con precisione la distribuzione delle dosi, bilanciando efficacia e sicurezza. Senza un TPS specifico per VHEE, è difficile integrare questa terapia nella pratica clinica, soprattutto considerando i complessi effetti biologici della FLASH, che richiedono condizioni precise per essere attivati. Poiché VHEE e FLASH-RT non sono ancora disponibili clinicamente, i TPS commerciali non possono essere testati su casi reali e l’adattamento dei codici di calcolo esistenti al VHEE è ancora limitato. Attualmente, pochi strumenti di ricerca consentono di testare modalità FLASH o VHEE in geometrie complesse o di integrare l’effetto FLASH nei modelli di ottimizzazione della dose.
Gli scintillatori sviluppati da LEOS e CREF saranno integrati modularmente con elettronica al silicio per una lettura segmentata e una risoluzione spaziale avanzata (Figura seguente). Questo sistema si propone come un’opzione economica e innovativa per l’imaging nucleare, con potenziale anche per applicazioni dosimetriche in trattamenti teranostici, come l’uso del Lutezio-177. Ulteriori validazioni sono necessarie per tradurre queste innovazioni nella pratica clinica.
Il progetto MULTIPASS mira a sviluppare un tracciatore a fibre per neutroni ultraveloci (10-200 MeV) basato sul doppio scattering elastico, colmando una lacuna tecnologica con il rivelatore MONDO. L’obiettivo è costruire un dispositivo compatto (10 x 10 x 20 cm³) per caratterizzare neutroni secondari in CPT.
Nel contesto dello sviluppo del tool di ottimizzazione del piano di trattamento abbiamo inoltre studiato le potenzialità dell’impiego di metodologie di ottimizzazione che derivano dalla teoria del trasporto ottimale e dalla meccanica statistica. Negli ultimi anni la regolarizzazione del trasporto ottimale ha permesso di raggiungere uno scaling quasi lineare con la complessità (numerica) del problema, velocizzando enormemente la convergenza numerica. Il vantaggio, quanto meno concettuale, di usare la teoria del trasporto ottimale è che si possono modellizzare sia i vincoli del problema sia la ricerca dei minimi di una funzione di dose rilasciata, aumentando la praticità del modello. In questo modo si vincola la dose rilasciata sul PTV ad essere almeno quella richiesta dal piano di trattamento, minimizzando la dose sugli altri organi. I risultati di questa sinergia tra le attività di questa linea di ricerca con quella del gruppo del CREF dei sistemi complessi sono promettenti. Ci prefiggiamo di poter migliorare le performance attuali sia in termini di tempo di calcolo complessivo, sia in termini di allargamento dei paramenti di interesse ottimizzabili in contemporanea.
- G.Franciosini et al. “GPU-accelerated Monte Carlo simulation of electron and photon interactions for radiotherapy applications” Physics in Medicine and Biology (2023) 68(4),044001 Open Access doi: 10.1088/1361-6560/aca1f2
- G.Cartechi et al. “Loading the tumor with 31P, 63Cu and 89Y provides an in vivo prompt gamma-based range verification for therapeutic protons” Frontiers in Physics (2023) 11,1071981 Open Access doi: 10.3389/fphy.2023.1071981
- A.Kraan et al. “Calibration and performance assessment of the TOF-Wall detector of the FOOT experiment” Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment (2023) 1045,167615 doi: 10.1016/j.nima.2022.167615
- M. Toppi et al. “Elemental fragmentation cross sections for a 16O beam of 400 MeV/u kinetic ener- gy interacting with a graphite target using the FOOT E-TOF detectors”. In: Frontiers in Physics 10 (2022) Open Access doi: 10.3389/fphy.2022.979229.
- Trigilio et al. “The FlashDC project: Development of a beam monitor for FLASH radiotherapy”. In: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 1041 (2022). doi: 10.1016/j.nima.2022.167334.
- M. Moglioni et al. “In-vivo range verification analysis with in-beam PET data for patients treated with proton therapy at CNAO”. In: Frontiers in Oncology (2022) 12,929949 Open Access doi: 10.3389/fonc.2022.929949.
- M. De Simoni et al. “A Data-Driven Fragmentation Model for Carbon Therapy GPU-Accelerated Monte- Carlo Dose Recalculation”. In: Frontiers in Oncology 12 (2022) Open Access doi: 10.3389/fonc.2022.780784.
- A.Kraan et al. “Localization of anatomical changes in patients during proton therapy with in-beam PET monitoring: A voxel-based morphometry approach exploiting Monte Carlo simulations” Medical Physics (2022) 49(1), pp. 23-40 Open Access doi: 10.1002/mp.15336
Il Progetto è stato finanziato dalla Regione Lazio tramite il progetto FlashDC RSI2020. Il finanziamento totale del progetto ammonta a 149,667euro, la parte di finanziamento relativo al CREF ammonta a 81,118 euro mentre la parte relativa al dipartimento SBAI è di 68,558 euro. La durata del progetto è di 30 mesi con inizio ad aprile 2021.
Michela Marafini, Ricercatrice CREF
Ricercatori CREF: Marco Garbini
Ricercatori INFN: Giacomo Traini
Prof. Sapienza: Vincenzo Patera, Alessio Sarti, Adalberto Sciubba, Marco Toppi, Angelo Schiavi
Ricercatori a tempo determinato (SBAI): Gaia Franciosini
Assegnisti (CREF, SBAI, INFN): Flaminia Quattrini, Alberto Burattini, Mattia Bonuso, Antonio Trigilio, Angelica De Gregorio
Adalberto Sciubba, Marco Toppi, Angelo Schiavi
Dottorandi, Assegnisti esterni: Antonio Trigilio, Angelica De Gregorio, Gaia Franciosini
Borsista (5 mesi, CREF): Annalisa Muscato