L'adroterapia è una forma molto avanzata di radioterapia in cui vengono utilizzate particelle cariche (tipicamente ioni Carbonio o protoni) per il trattamento di tumori. L'elevata precisione nel rilascio della dose ottenibile nei trattamenti adroterapici consente di massimizzare il rilascio della dose nella regione tumorale, riducendo al minimo l'esposizione dei tessuti sani e gli eventuali danni ad organi a rischio circostanti. Questo è possibile grazie alla caratteristica delle particelle cariche di rilasciare nel tessuto del paziente la maggior parte della loro energia al termine del loro percorso (picco di Bragg, BP). Data l'elevata selettività di questo trattamento è di cruciale importanza monitorare in tempo reale l'effettiva distribuzione spaziale della dose rilasciata nel paziente, per avere online il controllo del volume sottoposto a trattamento. Questo può essere fatto rivelando i frammenti carichi prodotti dalla frammentazione del fascio primario durante l'interazione con i tessuti del paziente ed emessi a largo angolo rispetto alla direzione del fascio. Le interazioni che i frammenti subiscono attraversando il paziente (multiplo scattering, assorbimento) hanno un elevato impatto sul profilo misurato ed è necessario un processo di unfolding per correlare correttamente il profilo di emissione con la posizione del BP.
Al fine di effettuare questa correzione in tempo reale, in questo progetto si propone di utilizzare un fast Monte-Carlo, FRED(Fast paRticle thErapy Dose evaluator) e un algoritmo iterativo, MLEM (maximum likelihood expectation-maximization), che permetta di ricostruire il profilo di emissione del fascio deconvolvendo l'effetto della materia che la radiazione secondaria ha subito nell'attraversare il paziente.
Il fine ultimo di questa attività di ricerca è valutare, in condizioni cliniche, la precisione ottenibile sulla ricostruzione della posizione del BP a partire dai dati sperimentali che saranno presi a Pavia con un fantoccio antropomorfo.
Attualmente nella pratica clinica non esiste un monitoraggio online che fornisca informazioni sulla localizzazione della dose durante il trattamento. Considerando che in adroterapia il fascio viene completamente assorbito nel corpo del paziente, non può essere sfruttato il fascio residuo come nella radioterapia convenzionale ma devono essere sviluppate tecniche basate sulla rilevazione di particelle secondarie.
Quindi, non potendo controllare in tempo reale la dose, i trattamenti di adroterapia sono svolti in più sedute (circa 10/20), questo frazionamento potrebbe essere riconsiderato se ci fosse un riscontro istantaneo sulla distribuzione spaziale della dose erogata. In questo modo si avrebbe una maggiore efficacia del trattamento, in quanto più concentrato nel tempo. Inoltre si avrebbe anche una riduzione dei costi, che rappresentano ancora un ostacolo alla diffusione della terapia per particelle, sia per i pazienti che per i centri erogatori del trattamento.
Inoltre il funzionamento di tale sistema online consentirebbe, con la riduzione dei margini di sicurezza intorno al volume tumorale, una minore dose rilasciata agli organi sani e quindi minori effetti collaterali, aumentando il risultato positivo della terapia.
Questa tecnica permetterebbe di avere un riscontro istantaneo sulla bontà del trattamento e in caso di problematiche interromperlo o ricalcolare durante l'irraggiamento, con un codice fast-Monte Carlo (FRED), il piano di trattamento.
In questo progetto si è pensato per la prima volta di utilizzare l'algoritmo MLEM, generalmente utilizzato per la PET, per la ricostruzione del profilo di emissione dei frammenti carichi. L'utilizzo di FRED, un codice fast Monte Carlo, permetterebbe di calcolare con precisione la matrice di deconvoluzione, utilizzata per risolvere "L'effetto materia", per ogni singolo paziente. Il principale inconveniente della matrice di deconvoluzione costruita con il Monte Carlo è il carico in termini di tempo di calcolo, che limita l'uso di questi metodi nella routine clinica. L'utilizzo di un codice Monte Carlo veloce come FRED in esecuzione su GPU è l'unico modo per facilitare tale applicazione. Il software di ricostruzione MLEM/FRED sviluppato potrebbe essere sfruttato da qualsiasi tecnica di monitoraggio basata su particelle secondarie cariche.