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Il lavoro svolto si inserisce nell’ambito del progetto RDH (Research and Development in Hadrontherapy) che prevede, tra i diversi work package di cui è composto, la realizzazione di un sistema di monitoraggio in-beam per la dose rilasciata durante un trattamento oncologico con protoni o ioni; l’approccio del gruppo di ricerca di Pisa si basa sulla possibilità di misurare la distribuzione di attività dei radioisotopi β+, quali O-15 e C-11 prodotti durante l’irraggiamento, facendo uso di un prototipo di rivelatore PET opportunamente sviluppato.
L'adroterapia è una tecnica alternativa alla radioterapia per il trattamento di neoplasie. Essa utilizza protoni o ioni invece di fotoni o elettroni e ha il vantaggio di rilasciare una dose piu' conforme al volume tumorale: il massimo rilascio di energia si ha infatti in una regione ben precisa e ristretta al contrario di quanto avviene con la radioterapia che coinvolge in modo significativo anche il tessuto sano antistante e retrostante la zona bersaglio. La necessità di un monitoraggio del trattamento nasce dal fatto che l'elevato gradiente della curva di dose fa si che anche una piccola variazione spaziale sul punto del massimo rilascio può non solo invalidare la seduta ma anche danneggiare i tessuti circostanti il volume trattato.
Il sistema PET in questione, sviluppato presso l'INFN e l'Università di Pisa, è planare (e non ad anello come i normali scanner clinici) ed è costituito da due teste a base quadrata, di lato 10,4 cm. Questa configurazione e' necessaria per permettere al sistema di essere installato in prossimità di un gantry e di non interferire con l'irraggiamento.
Il monitoraggio PET può essere effettuato con diverse modalità. Ci si riferisce a un monitoraggio on-line (o in-beam) se eseguito con il paziente nella stessa posizione in cui si trova durante l'irraggiamento (beam-on nel caso in cui si esegua l'acquisizione anche con il fascio acceso oppure beam-off se si considera la fase successiva con il fascio spento), mentre si definisce in-room, se il paziente rimane nella stessa stanza e off-line, se la rivelazione avviene in un locale diverso da quello in cui si effettua il trattamento. I vari casi differiscono per gli isotopi che contribuiscono al segnale rivelato: nelle acquisizioni on-line vengono registrate le coppie di fotoni provenienti dal decadimento di tutti gli isotopi e dunque richiedono un tempo decisamente inferiore rispetto a quelle off-line/in-room in cui contribuiscono solamente gli isotopi il cui tempo di decadimento è dello stesso ordine di grandezza (o maggiore) del tempo richiesto per spostare il paziente per l'acquisizione dopo l'irraggiamento. Inoltre le acquisizioni beam-on sono meno soggette al degradamento del segnale provocato dai fenomeni di perfusione biologica dei tessuti.
Una caratteristica molto importante del sistema PET usato è la capacità di acquisire dati beam-on. La tesi presentata ha come argomento le analisi di dati acquisiti presso il Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica per il Trattamento dei Tumori (CNAO) di Pavia e il Centro di AdroTerapia e Applicazioni Nucleari Avanzate (CATANA) di Catania. Gli irraggiamenti effettuati hanno avuto come bersaglio fantocci differenti per geometria e/o composizione scelti per riprodurre situazioni reali di irraggiamento, preliminari e complementari all'uso di fantocci antropomorfi.
Per poter valutare le capacità di monitoraggio del sistema si sono confrontate le distribuzioni unidimensionali (lungo l'asse z del fascio) di attività sperimentali sia con quelle direttamente fornite da simulazioni Monte Carlo (per cui è stato utilizzato il programma FLUKA) opportunamente settate, in cui si sono riprodotte le condizioni di irraggiamento sperimentali, sia con le distribuzioni ottenute simulando anche la geometria e la struttura del sistema PET e quindi ricostruendo le posizioni di annichilazione registrate nell'output del MC. Tutti i profili sono stati ottenuti attraverso l'elaborazione (con il programma ImageJ) delle immagini prodotte dal software di ricostruzione sviluppato in precedenza dal gruppo. Il parametro scelto per indicare l'accordo tra dati sperimentali e simulazioni MC è il ∆W50 ossia la distanza in z tra il punto a metà altezza del fronte di discesa del profilo e il corrispondente punto sul fronte di salita. Tale parametro e' correlato alla profondità raggiunta all'interno del bersaglio dal fascio di particelle, ed è stato determinato tramite il fit delle curve interessate con una funzione che e' stata scelta tra alcune possibili.
I risultati ottenuti dimostrano le elevate capacità del sistema PET in esame: l'accordo tra dati sperimentali e simulazioni MC è pienamente soddisfacente, con precisioni dell'ordine di 1 mm. E' stato verificato che, oltre ad essere in grado di acquisire eventi durante l'irraggiamento (fase beam-on), le informazioni così raccolte sono ugualmente valide ed utilizzabili al pari di quelle registrate dopo lo spegnimento del fascio (fase beam-off). Un ulteriore aspetto mostrato dalle analisi effettuate è la capacità di rivelare eventuali disomogeneità e/o alterazioni all'interno del bersaglio: è stato possibile, infatti, individuare chiaramente sia la presenza di una piccola cavità cilindrica che la successione di materiali con diversa densità che compongono uno dei fantocci. In particolare per questo caso, da uno studio temporale dei profili è stata evidenziata anche la possibilità di effettuare una valutazione della differente composizione chimica dei materiali che costituiscono il fantoccio: si riesce a capire se in una certa sezione sia presente una maggior percentuale di carbonio o di ossigeno.