La terapia con particelle (o adroterapia) sta diventando una metodologia di trattamento consolidata per i malati oncologici e il numero dei centri nel mondo che permettono di applicarla è in rapido e costante aumento. La costruzione di queste strutture è motivata da aspetti clinici ma può anche essere supportata dalla potenziale rilevanza nella ricerca. L'utilizzo di fasci di particelle cariche infatti rappresenta non solo una necessità per le applicazioni in fisica medica ma anche una parte essenziale dell'attività dedicata allo sviluppo dei rivelatori, test sulle radiazioni e ricerca fondamentale in fisica nucleare e delle particelle.
Il CNAO (Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica) di Pavia, è l'unico in Italia che può trattare i pazienti sia con protoni che con ioni Carbonio ad alte energie (100-400 MeV/nucleone). Un centro all'avanguardia come quello di Pavia non può prescindere dall'effettuare le proprie ricerche per rendere sempre più efficienti e sicure le cure proposte ai pazienti.
Dal momento che il rate di fascio di protoni e ioni Carbonio utilizzato per un normale trattamento è di 10^7÷10^8 cps, attualmente non esiste una caratterizzazione a basse intensità. L'obiettivo del lavoro proposto prevede quindi di effettuare misure sulla posizione del fascio e sulla sua intensità a rate minori di 100 kHz tramite lo sviluppo di un rivelatore a scintillazione. Grazie a questo lavoro sarà possibile rendere usufruibile il fascio di trattamento anche per scopi di ricerca e sviluppo che richiedono di essere studiati e testati a basse intensità.
I fasci di protoni e ioni possono essere utilizzati, oltre che per applicazioni mediche, per effettuare esperimenti più vicini a settori strategici dell'industria, come quello aerospaziale, per lo svolgimento di test di materiali, per lo sviluppo di rivelatori, test sulle radiazioni e ricerca fondamentale in fisica nucleare e delle particelle. Attualmente un gruppo di ricerca italiano che ha necessità di utilizzare un fascio di ioni è costretto a rivolgersi al centro HIT (Heidelberg Ion beam Therapy center) di Heidelberg (Germania) o al GSI (Gesellschaft für Schwerionenforschung, Centro per la ricerca sugli ioni pesanti) di Darmstadt (Germania). Questi sono infatti i centri di ricerca più vicini ed accessibili che permettono di avere fasci collimati di ioni a energie maggiori di 80 MeV.
In Italia infatti i due centri attualmente dotati di una sala sperimentale non riescono a coprire tutte le necessità dei ricercatori: il centro di ProtonTerapia di Trento ha a disposizione solo fasci di protoni e CATANA (Centro di AdroTerapia ed Applicazioni Nucleari Avanzate), presso i Laboratori Nazionali del Sud dell'INFN a Catania, è in grado di accelerare i fasci di ioni ad una energia massima di 80MeV.
La possibilità di usufruire del CNAO (Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica) di Pavia, permetterebbe quindi ai ricercatori italiani di non dover rivolgersi a strutture di altre nazioni riducendo i tempi burocratici e diminuendo le spese di trasporto della strumentazione e del personale.
Inoltre per un centro di adroterapia, la possibilità di effettuare ricerche direttamente nella propria struttura permette di velocizzare i processi di sviluppo e miglioramento delle proprie tecniche, come nel campo della terapia con particelle (PT) in cui sono presenti problematiche ancora aperte.
L'esperimento FOOT (FragmentatiOn Of Target), finanziato dall'INFN, si occupa di studiare i possibili danni che possano avvenire alle cellule sane durante la terapia. I fasci di protoni e ioni, nel momento in cui penetrano nel corpo del paziente, interagiscono e frammentano con i nuclei presenti, danneggiando e uccidendo le cellule tumorali. Questi frammenti, oltre a essere un'importante fonte di danno biologico per le cellule tumorali possono danneggiare anche le cellule sane vicine; è dunque di fondamentale importanza la conoscenza approfondita di questo processo per poter effettuare un trattamento medico il più efficace e sicuro possibile. In particolare FOOT ha come obbiettivo la misura con una precisione inferiore al 5% della sezione d'urto della frammentazione nucleare di ioni Carbonio per la quale sono assenti misure sperimentali alle energie utilizzate nei trattamenti di adroterapia (100-300MeV/nucleone). Per effettuare questi studi ci sarà la necessità di poter svolgere dei test con fasci con intensità minori di quelle attualmente monitorate dalla camera a ionizzazione del CNAO (100kHz).
Un altro studio per la PT è portato avanti dal progetto INSIDE (Innovative Solution for Dosimetry in Hadronthreapy), nato dalla collaborazione di diverse università italiane e l'INFN [1]. Ha come obbiettivo la realizzazione di un sistema multimodale per il monitoraggio della dose in tempo reale durante il trattamento. Infatti, data l'elevata selettività spaziale e la capacità distruttiva del rilascio di dose della PT, il tumore deve essere centrato con una precisione millimetrica. In questa terapia, in cui il fascio termina il suo percorso all'interno del corpo, ad oggi le tecniche per il monitoraggio on-line sono ancora in fase di sperimentazione. Il trattamento viene pianificato precedentemente e, per mitigare i possibili effetti di errore, i radiobiologi introducono un fattore di sicurezza che riduce il rilascio della dose nella regione prossima al tumore evitando di colpire organi sani, ma allo stesso tempo riducendo l'efficienza del trattamento. Un monitoraggio on-line che riveli l'effettivo percorso longitudinale del fascio, e in particolare la posizione del picco di Bragg, potrebbe quindi migliorare la qualità e l'efficienza del trattamento. INSIDE sfrutta il fatto che, ricostruendo la posizione di emissione dei frammenti secondari, è possibile risalire in tempo reale al percorso longitudinale del fascio. Il rivelatore, che sarà composto da due teste PET planari per la rilevazione di fotoni back-to-back e di un rivelatore, Dose Profiler [2], per la rivelazione dei frammenti carichi, avrà necessità di essere testato e calibrato con fasci di intensità ridotta rispetto a quella normalmente scelta per i trattamenti.
Per portare avanti questi progetti è quindi fondamentale la caratterizzazione del fascio del CNAO come previsto da questo progetto.
[1] M.G. Bisogni et al, "INSIDE in-beam positron emission tomography system for particle range monitoring in hadrontherapy" J Med Imaging (Bellingham) 2017
[2] G. Traini et al, "Design of a new tracking device for on-line beam range monitor in carbon therapy" Physica Medica 34 (2017)