La terapia con particelle (o adroterapia) utilizza protoni e ioni Carbonio per il trattamento di tumori.
A differenza dei trattamenti convenzionali con raggi X, nella terapia con particelle il maggior rilascio di dose avviene alla fine del percorso degli adroni, in una zona ben localizzata, detta picco di Bragg. Questa caratteristica può essere sfruttata per trattare tumori profondi o vicino ad organi a rischio.
Il trattamento con particelle pesanti ha inoltre una grande efficacia legata agli effetti biologici. Infatti il rilascio di energia dovuto al picco di Bragg causa gravi danni al DNA delle cellule nella zona bersagliata, con conseguente distruzione delle stesse.
Risulta utile stimare il grado di efficacia della radiazione riferendosi alla RBE, Efficacia Biologica Relativa. Negli odierni trattamenti con protoni questa quantità viene considerata pari a 1.1, mentre studi recenti hanno dimostrato che, a causa della frammentazione del bersaglio, questo valore può superare il valore considerato portando a calcoli errati della dose rilasciata. A questo proposito è necessario un accurato studio riguardante la frammentazione del bersaglio e la variazione dell'RBE, per migliorare i piani di trattamento (TPS) ed evitare danni alle cellule sane.
L'esperimento FOOT (FragmentatiOn Of Target) si propone di effettuare misure di sezione d'urto della produzione di frammenti dovuti all'interazione dei protoni su vari bersagli rilevanti in adroterapia.
L'obbiettivo del lavoro proposto è la caratterizzazione del sistema ToF dell'esperimento, composto da uno scintillatole sottile usato come Start Counter e da un rivelatore phoswich che svolge la funzione di calorimetro e di Stop del sistema, composto da uno scintillatore plastico accoppiato con un cristallo di BGO. Il lavoro si focalizza sul test di vari scintillatori per valutare le performance ottenibili da questo tipo di rivelatore utilizzando fasci di diverse particelle (protoni, ioni Carbonio) a diverse energie.
Lo studio dei processi di frammentazione nucleare ha un notevole impatto su applicazioni cruciali come la terapia con particelle e la radioprotezione nello spazio. Tuttavia ad oggi tali processi non sono noti ai livelli necessari in questi ambiti: i modelli nucleari inseriti nei Monte Carlo di uso sia in fisica delle alte energie, sia in fisica medica, non sono ancora in grado di rappresentare il fenomeno al necessario grado di accuratezza, specialmente nel caso della descrizione delle sezioni d'urto doppio-differenziali rispetto all'angolo e all'energia di emissione dei frammenti prodotti.
FOOT si propone di effettuare misure di sezioni d'urto per la produzione di frammenti sfruttando un innovativo approccio di cinematica inversa, per cui un bersaglio che rappresenta il fascio utilizzato nel trattamento viene irraggiato con gli elementi principali che compongono il corpo del paziente: le sezioni d'urto totali si ottengono tramite la combinazione delle sezioni d'urto misurate per i singoli elementi.
L'utilizzo di un calorimetro phoswich permette di misurare contemporaneamente l'energia e il tempo di volo del frammento sfruttando un unico oggetto compatto, minimizzando il multiplo scattering del frammento nell'aria e abbattendo notevolmente i costi di produzione.
Le performance attese sulle misure e sull'identificazione dei frammenti dipendono dall'accuratezza che deve raggiungere il modello radiobiologico di valutazione di complicanze secondarie nei tessuti sani attraversati dal fascio. Per mantenere la valutazione entro il 10% di errore è necessaria un'identificazione della massa del frammento al meglio del 5% e una risoluzione in energia con un'accuratezza del 2%. In termini di performance del rivelatore, considerando la massa e l'energia dei frammenti nel range di interesse, ci aspettiamo di misurare per il phoswich una risoluzione temporale di circa 200 ps e una risoluzione energetica di 1 MeV/nucleone.
Tramite le misure effettuate dall'esperimento FOOT si potrà migliorare la modellizzazione dell'RBE di un fascio di protoni e i risultati dell'esperimento permetteranno un miglioramento dell'algoritmo attualmente utilizzato nei piani di trattamento per terapie con protoni.
L'utilizzo di TPS sempre più sofisticati permetterebbe una riduzione dei Margini di Rischio (Safety Margins) consentendo una riduzione della dose rilasciata su tessuti sani o su organi a rischio, migliorando sensibilmente l'efficacia del trattamento e diminuendo il rischio di complicanze successive alla terapia.