Compagnia di San Paolo - Bando ex-post - Anno 2020 - "Flash Monitoring Engine" - Cda 21/12/2021
ProgettoIl progetto di ricerca proposto si colloca nell’ambito delle tecniche innovative per l’uso delle radiazioni ionizzanti a scopo terapeutico.
La radioterapia tratta con radiazioni ionizzanti (elettroni e fotoni nella radioterapia convenzionale o protoni e ioni carbonio in adroterapia) ben oltre il 50% dei tumori maligni localizzati e rappresenta oggi un pilastro nella cura del cancro [1]. L’ottimizzazione del bilancio tra efficacia sui tessuti malati e tossicità sui tessuti sani, cosiddetta finestra terapeutica, ha spinto lo sviluppo tecnologico e la ricerca ad esso connessa verso l’ottenimento di un incremento dell’efficacia biologica e di una sempre più elevata conformazione spaziale della dose al target, definita come energia media assorbita dall’organo/tessuto per unità di massa dell’organo/tessuto (misurata in gray, dove 1 Gy=1J/1kg).
Una tecnica emergente, oggetto di un crescente interesse da parte della comunità internazionale (testimoniato da un incremento esponenziale del numero di pubblicazioni dal 2014 ad oggi), è la radioterapia FLASH. Essa consiste in un singolo irraggiamento erogato in tempi estremamente brevi (<200 ms) con elevate dosi (>10 Gy) e, conseguentemente, ratei di dose molto elevati (> 50 Gy/s) [2]. Evidenze sperimentali hanno dimostrato che la radioterapia FLASH, a parità di effetto sui tessuti tumorali, riduce il danno biologico ai tessuti sani circostanti.
I regimi tipici della radioterapia FLASH, caratterizzati da flussi di particelle e ratei di dose di tre ordini di grandezza superiori rispetto a quelli usati in radioterapia convenzionale, pongono notevoli sfide tecnologiche in ambito dosimetrico e di monitoraggio real-time del fascio. Le camere a ionizzazione, che rappresentano lo stato dell’arte dei rivelatori utilizzati per dosimetria e beam monitoring in radioterapia, presentano infatti rilevanti problemi di ricombinazione ionica ai ratei di dose tipici della radioterapia FLASH.
La saturazione e la conseguente sottostima del segnale prodotto dai rivelatori oggi disponibili [3, 4] limita l’accuratezza della validazione preclinica necessaria a raggiungere un consenso globale sulla radioterapia FLASH e, di conseguenza, rallenta e impedisce una futura implementazione clinica di questa promettente metodica.
Esistono sul mercato rivelatori passivi, come ad esempio i rivelatori ad alanina, che permettono accurate misure di dose anche ad alti dose-rate, ma l’impossibilità di misure real-time limita il loro utilizzo in ambito clinico.
Lo sviluppo e la caratterizzazione di rivelatori al silicio sottili e ultrasottili per monitoraggio real-time in trasmissione di fasci di particelle (elettroni e protoni) ad alto rateo di dose proposto in questo progetto di ricerca ambisce a contribuire alla verifica dell’effetto FLASH e alla traslazione clinica della radioterapia FLASH.
L’attività di ricerca prevede la caratterizzazione di rivelatori al silicio sottili e ultrasottili e l’interconfronto con rivelatori al Carburo di Silicio (SiC) e al diamante per monitoraggio real-time in trasmissione di fasci di particelle (elettroni e protoni) ad alto rateo di dose, a cui si affiancherà lo studio/sviluppo di elettronica di lettura.
Fasi del progetto:
1) caratterizzazione di rivelatori al silicio sottili e ultrasottili con fasci di elettroni presso il LINAC del dipartimento di fisica e presso centri che dispongono di macchinari IORT (IntraOperative RadioTherapy) e con fasci di protoni (presso CNAO, Pavia, e il centro di protonterapia di Trento), con particolare riferimento a linearità con la flussi del fascio, risoluzione spaziale e temporale;
2) quantificazione dell’impatto delle diverse proprietà, quali spessore dell’area attiva, area del sensore, capacità, ecc…sulle performance dei sensori in funzione del rateo di dose e dei flussi;
3) interconfronto dei risultati ottenuti coi diversi rivelatori a stato solido innovativi (SiC e diamanti) e con rivelatori di riferimento alle stesse condizioni sperimentali;
4) studio, sviluppo e ottimizzazione di elettronica di lettura al fine di definire l’elettronica di readout.
Le attività verranno condotte e coordinate dall’Università degli Studi di Torino e la sezione di Torino dell’INFN. Il gruppo di ricerca in Fisica Medica di Torino ha contatti con centri ospedalieri che utilizzano macchine IORT (per esempio, l’Istituto Europeo di Oncologia IEO, Milano), caratterizzate da ratei di dose superiori rispetto a quelli della radioterapia convenzionale, e con centri che hanno già effettuato l’upgrade di LINAC medicali affinchè sia possibile l’erogazione di fasci FLASH [5]. Presso l’Università di Torino e la sezione di Torino dell’INFN, inoltre, è in fase di studio la possibilità di effettuare l’upgrade del LINAC disponibile in sede, al fine di ottenere fasci di elettroni FLASH (all’interno del progetto FRIDA della CSN5 dell’INFN). Il gruppo di Fisica Medica di Torino, inoltre, ha rapporti di collaborazione con i centri di protonterapia di CNAO (Pavia) e di Trento. Il gruppo di Fisica Medica metterà a disposizione l’expertise sui rivelatori al silicio (LGAD sottili) per il monitoraggio dei fasci di particelle cariche sviluppata nel progetto MoVeIT [6,7], sfrutterà il laboratorio di silici innovativi presente presso l’istituto, la collaborazione con il gruppo di Stato Solido dell’Università di Torino per l’interconfronto con i diamanti [8] e il laboratorio di elettronica dell’INFN di Torino, sfruttando l’esperienza del gruppo di ricerca [9,10].
Le attività relative all’analisi dati e alla scrittura degli articoli da pubblicare, verranno svolte presso il Dipartimento di Fisica dell’Università di Torino.
Lo studio delle prestazioni di silicio su ratei di dose elevati, la progettazione e lo sviluppo della corretta geometria in termini di area attiva e spessore del singolo elemento (pad/striscia) e segmentazione (numero di elementi nel rivelatore) consentiranno di identificare le potenzialità dei rivelatori al silicio nell’ambito del monitoraggio di fasci di elettroni e protoni in regimi FLASH, che rappresenta l'obiettivo principale del progetto proposto.
Il progetto ha la potenzialità di portare un avanzamento nella conoscenza delle tecnologie a stato solido più appropriate per il monitoraggio in radioterapia.
Bibliografia.
[1] R. Atun et al., Lancet Oncol (2015)
[2] M. Durante et al., BJR (2017)
[3] M. McManus et al., Scientific Reports (2020)
[4] F. Romano et al., Journal of Physics (2020)
[5] Lempart M, Radiotherapy and Oncology (2019)
[6] Vignati A, Physics in Medicine and Biology (2020)
[7] Vignati A, Journal of Physics: Conference Series (2020)
[8] Picollo F, Sci Rep. (2016)
[9] Cirio R, NIM A (2015)
[10] Fausti F, NIM A (2021)
La radioterapia tratta con radiazioni ionizzanti (elettroni e fotoni nella radioterapia convenzionale o protoni e ioni carbonio in adroterapia) ben oltre il 50% dei tumori maligni localizzati e rappresenta oggi un pilastro nella cura del cancro [1]. L’ottimizzazione del bilancio tra efficacia sui tessuti malati e tossicità sui tessuti sani, cosiddetta finestra terapeutica, ha spinto lo sviluppo tecnologico e la ricerca ad esso connessa verso l’ottenimento di un incremento dell’efficacia biologica e di una sempre più elevata conformazione spaziale della dose al target, definita come energia media assorbita dall’organo/tessuto per unità di massa dell’organo/tessuto (misurata in gray, dove 1 Gy=1J/1kg).
Una tecnica emergente, oggetto di un crescente interesse da parte della comunità internazionale (testimoniato da un incremento esponenziale del numero di pubblicazioni dal 2014 ad oggi), è la radioterapia FLASH. Essa consiste in un singolo irraggiamento erogato in tempi estremamente brevi (<200 ms) con elevate dosi (>10 Gy) e, conseguentemente, ratei di dose molto elevati (> 50 Gy/s) [2]. Evidenze sperimentali hanno dimostrato che la radioterapia FLASH, a parità di effetto sui tessuti tumorali, riduce il danno biologico ai tessuti sani circostanti.
I regimi tipici della radioterapia FLASH, caratterizzati da flussi di particelle e ratei di dose di tre ordini di grandezza superiori rispetto a quelli usati in radioterapia convenzionale, pongono notevoli sfide tecnologiche in ambito dosimetrico e di monitoraggio real-time del fascio. Le camere a ionizzazione, che rappresentano lo stato dell’arte dei rivelatori utilizzati per dosimetria e beam monitoring in radioterapia, presentano infatti rilevanti problemi di ricombinazione ionica ai ratei di dose tipici della radioterapia FLASH.
La saturazione e la conseguente sottostima del segnale prodotto dai rivelatori oggi disponibili [3, 4] limita l’accuratezza della validazione preclinica necessaria a raggiungere un consenso globale sulla radioterapia FLASH e, di conseguenza, rallenta e impedisce una futura implementazione clinica di questa promettente metodica.
Esistono sul mercato rivelatori passivi, come ad esempio i rivelatori ad alanina, che permettono accurate misure di dose anche ad alti dose-rate, ma l’impossibilità di misure real-time limita il loro utilizzo in ambito clinico.
Lo sviluppo e la caratterizzazione di rivelatori al silicio sottili e ultrasottili per monitoraggio real-time in trasmissione di fasci di particelle (elettroni e protoni) ad alto rateo di dose proposto in questo progetto di ricerca ambisce a contribuire alla verifica dell’effetto FLASH e alla traslazione clinica della radioterapia FLASH.
L’attività di ricerca prevede la caratterizzazione di rivelatori al silicio sottili e ultrasottili e l’interconfronto con rivelatori al Carburo di Silicio (SiC) e al diamante per monitoraggio real-time in trasmissione di fasci di particelle (elettroni e protoni) ad alto rateo di dose, a cui si affiancherà lo studio/sviluppo di elettronica di lettura.
Fasi del progetto:
1) caratterizzazione di rivelatori al silicio sottili e ultrasottili con fasci di elettroni presso il LINAC del dipartimento di fisica e presso centri che dispongono di macchinari IORT (IntraOperative RadioTherapy) e con fasci di protoni (presso CNAO, Pavia, e il centro di protonterapia di Trento), con particolare riferimento a linearità con la flussi del fascio, risoluzione spaziale e temporale;
2) quantificazione dell’impatto delle diverse proprietà, quali spessore dell’area attiva, area del sensore, capacità, ecc…sulle performance dei sensori in funzione del rateo di dose e dei flussi;
3) interconfronto dei risultati ottenuti coi diversi rivelatori a stato solido innovativi (SiC e diamanti) e con rivelatori di riferimento alle stesse condizioni sperimentali;
4) studio, sviluppo e ottimizzazione di elettronica di lettura al fine di definire l’elettronica di readout.
Le attività verranno condotte e coordinate dall’Università degli Studi di Torino e la sezione di Torino dell’INFN. Il gruppo di ricerca in Fisica Medica di Torino ha contatti con centri ospedalieri che utilizzano macchine IORT (per esempio, l’Istituto Europeo di Oncologia IEO, Milano), caratterizzate da ratei di dose superiori rispetto a quelli della radioterapia convenzionale, e con centri che hanno già effettuato l’upgrade di LINAC medicali affinchè sia possibile l’erogazione di fasci FLASH [5]. Presso l’Università di Torino e la sezione di Torino dell’INFN, inoltre, è in fase di studio la possibilità di effettuare l’upgrade del LINAC disponibile in sede, al fine di ottenere fasci di elettroni FLASH (all’interno del progetto FRIDA della CSN5 dell’INFN). Il gruppo di Fisica Medica di Torino, inoltre, ha rapporti di collaborazione con i centri di protonterapia di CNAO (Pavia) e di Trento. Il gruppo di Fisica Medica metterà a disposizione l’expertise sui rivelatori al silicio (LGAD sottili) per il monitoraggio dei fasci di particelle cariche sviluppata nel progetto MoVeIT [6,7], sfrutterà il laboratorio di silici innovativi presente presso l’istituto, la collaborazione con il gruppo di Stato Solido dell’Università di Torino per l’interconfronto con i diamanti [8] e il laboratorio di elettronica dell’INFN di Torino, sfruttando l’esperienza del gruppo di ricerca [9,10].
Le attività relative all’analisi dati e alla scrittura degli articoli da pubblicare, verranno svolte presso il Dipartimento di Fisica dell’Università di Torino.
Lo studio delle prestazioni di silicio su ratei di dose elevati, la progettazione e lo sviluppo della corretta geometria in termini di area attiva e spessore del singolo elemento (pad/striscia) e segmentazione (numero di elementi nel rivelatore) consentiranno di identificare le potenzialità dei rivelatori al silicio nell’ambito del monitoraggio di fasci di elettroni e protoni in regimi FLASH, che rappresenta l'obiettivo principale del progetto proposto.
Il progetto ha la potenzialità di portare un avanzamento nella conoscenza delle tecnologie a stato solido più appropriate per il monitoraggio in radioterapia.
Bibliografia.
[1] R. Atun et al., Lancet Oncol (2015)
[2] M. Durante et al., BJR (2017)
[3] M. McManus et al., Scientific Reports (2020)
[4] F. Romano et al., Journal of Physics (2020)
[5] Lempart M, Radiotherapy and Oncology (2019)
[6] Vignati A, Physics in Medicine and Biology (2020)
[7] Vignati A, Journal of Physics: Conference Series (2020)
[8] Picollo F, Sci Rep. (2016)
[9] Cirio R, NIM A (2015)
[10] Fausti F, NIM A (2021)