Compagnia di San Paolo - Bando ex-post - Anno 2020 - "Flash Monitoring Engine" - Cda 21/12/2021
Progetto Il 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