• curva di Bragg
• PET
• modello semianalitico
• Protonterapia

Si sta assistendo in questi ultimi anni ad un crescente interesse per l'impiego di fasci di protoni per il trattamento di tumori con localizzazione poco profonda (max 4 cm). Fra le patologie trattabili quelle di tipo oculare, quali i melanomi, i tumori dell'iride, i retinoblastomi e le degenerazioni maculari legate all'età, stanno trovando in questo approccio radioterapico la risposta clinicamente più idonea alla loro risoluzione, sia alla luce dei risultati già ottenuti che come possibile prospettiva di sviluppo.
L'interesse verso questa promettente forma di terapia, nasce dall'essere in grado di superare i limiti della radioterapia convenzionale grazie sia ad un deposito di energia più localizzato (sia in profondità che in direzione trasversale) che ad una maggiore efficacia biologica relativa, vantaggi questi che, tuttavia, rendono indispensabili controlli più accurati nella precisione del trattamento applicato, in particolar modo quando il volume bersaglio è collocato in prossimità di organi critici e la terapia è frazionata in più sedute.
Tra le alternative più promettenti per il controllo di qualità della radioterapia con protoni si sta facendo strada l'imaging PET "in vivo". I protoni, infatti, durante l'attraversamento del mezzo interagiscono con i nuclei del bersaglio producendo degli isotopi beta+ - emittenti, quali principalmente 15O e 11C. Questi decadendo emettono ciascuno un positrone, dalla cui successiva annichilazione con un elettrone si originano due fotoni da 511 keV in direzione opposta che andranno poi ad essere rilevati dai tomografi PET.
Il lavoro di tesi si inquadra nell'ambito del progetto DoPET portato avanti dal gruppo di ricerca di Fisica Medica dell'Università di Pisa, il cui obiettivo ultimo sarà proprio la realizzazione di un sistema PET dedicato al controllo di qualità del trattamento terapico con protoni, nella prospettiva di un futuro utilizzo clinico presso i Laboratori Nazionali del Sud (LNS) a Catania, dove è stata da pochi anni realizzata una facility per il trattamento di lesioni oculari con fasci di protoni di energia massima pari a 62 MeV, ottenuti da un ciclotrone a superconduttore.
In particolare, l'obiettivo nell’ambito del progetto è stato quello di verificare per via simulativa l'effettiva possibilità di utilizzare l'imaging PET per il monitoraggio in vivo dell'attività in funzione della dose rilasciata dal fascio di protoni.
Nella prima parte del lavoro di ricerca sono state simulate per via semianalitica la curva di Bragg e la distribuzione di attività prodotta da un fascio di protoni incidente su un fantoccio di PMMA. Allo scopo si è introdotta una trattazione a la Fokker-Planck della funzione di distribuzione dell'energia dei singoli protoni al variare della profondità nel mezzo; successivamente si è analizzato fenomenologicamente lo spreading laterale subito dal fascio a causa degli urti colombiani con gli elettroni del bersaglio. A questo punto, mettendo assieme i pezzi del mosaico, è stato possibile determinare le densità tridimensionali di dose e di isotopi prodotti.
Verificata l'attendibilità dei risultati ottenuti, mediante confronto diretto con quanto riportato già in letteratura al riguardo, il lavoro è proseguito con una disamina sulla fattibilità pratica del monitoraggio dosimetrico. La distribuzione di isotopi ottenuta è stata introdotta come input in SimSET, un pacchetto per simulazioni Monte Carlo che modellizza i processi fisici e la strumentazione utilizzata nell’imaging PET. In particolare, sono state studiate le coincidenze registrate – a fronte dell'attività degli isotopi beta+ - emittenti – da una coppia di scintillatori planari disposti simmetricamente rispetto al bersaglio del fascio protonico. I dati così simulati sono, poi, stati analizzati da un programma di ricostruzione tridimensionale dell'attività; è seguito, quindi, un confronto tra l'attività prevista dalle simulazioni analitiche iniziali e quella che (sempre sulla base di simulazioni, anche se questa volta di tipo Monte Carlo) è lecito attendersi sia ricostruibile da tomografi PET che monitorano la prima.
Il lavoro si è concluso con uno studio quantitativo dell'attività ricostruita al fine di testare la possibilità di risalire, a partire da essa, al valore del range percorso dai protoni nel fantoccio attraversato.