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CNAO: l’adroterapia parla italiano

CNAO: l’adroterapia parla italiano

Eminia Bressi, referente dell'Unità di Operazioni e Fisica degli Acceleratori in CNAO, ci racconta alcuni aspetti tecnici sul funzionamento dei sofisticati sistemi presenti presso il Centro. 

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23 feb/18

Cos’è il CNAO

Il CNAO (Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica) nasce da un’idea del Professor Ugo Amaldi ed è l’unico centro di adroterapia in Italia che permette di trattare i tumori sia con protoni che con ioni carbonio. Il vantaggio di utilizzare gli ioni carbonio in ambito clinico è dato dal maggiore ‘potere distruttivo’ e dalla ‘maggiore precisione’ (rispetto ai protoni) sulle cellule tumorali. Per questo motivo è possibile trattare anche i tumori considerati ‘radio-resistenti’.

In Europa l’unico altro centro attualmente operativo che abbia le stesse caratteristiche del CNAO è il centro di adroterapia HIT situato ad Heidelberg, in Germania. L’acceleratore di Vienna (MEDAUSTRON) ha iniziato l’attività clinica con i Protoni ed è in fase di test dei fasci di ioni carbonio.

Il CNAO ospita un sincrotrone di 77 m di circonferenza. I fasci di particelle vengono generati da due sorgenti al plasma ECR (SUPERNANOGUN, realizzate in Francia) e vengono pre-accelerati da un acceleratore lineare (LINAC) passando da bassa energia (pochi keV) a media energia (7 MeV). Il fascio viene iniettato nel sincrotrone e tramite una cavità a radiofrequenza viene accelerato. Il fascio di protoni può variare da un’energia minima (che permette di arrivare a 30 mm di profondità) alla massima (che permette di arrivare a 320 mm di profondità). Gli ioni carbonio invece coprono un range di profondità che va da 30 mm a 270 mm. La relazione tra energia della particella e profondità di penetrazione è descritto, dal punto di vista fisico, dal picco di Bragg: le particelle cariche (i protoni e gli ioni carbonio) rilasciano gran parte della loro energia a ‘fine corsa’, permettendo di preservare i tessuti sani che vengono attraversati dal fascio. Il motivo di questo comportamento, semplificando molto, è che ‘a fine corsa’ la particella va più lenta e quindi trascorre più tempo vicino agli atomi del materiale target, aumentando quindi la probabilità di interagire con essi rilasciando energia (questo non vale per particelle leggere come gli elettroni che hanno movimenti più errabondi). Proprio conoscendo la legge fisica del picco di Bragg, viene definito il piano di cura che permette di irraggiare i tumori: questi vengono idealmente suddivisi per ‘fette’ a diverse profondità.

A ciascuna fetta corrisponderà una energia di estrazione (e quindi una profondità di penetrazione) del fascio circolante nel sincrotrone (e che viene accompagnato fino ai pazienti mediante quattro linee di estrazione). Ogni fetta è quindi suddivisa in micro-celle, chiamate ‘voxel’ : il piano di cura definisce la sequenza dei vari voxel e quanta dose ognuno deve ricevere dal fascio.

Come facciamo a essere sicuri che la quantità di dose di ciascun voxel sia quella prevista dal piano di cura?

La risposta è: tramite un sistema di Dose Delivery a scansione attiva. Nel dettaglio: il Dose Delivery del CNAO è un sistema di monitoraggio formato da due rivelatori di particelle (camere a ionizzazione), installato pochi centimetri prima del paziente, e che misura in tempo reale il fascio che viene erogato. Grazie a dei ‘magneti di scansione’ la fetta formata da voxel viene ‘spennellata’ dal fascio. Nel momento in cui il Dose Delivery si accorge di avere erogato la giusta dose di fascio, ordina a quattro magneti veloci installati lungo la linea di estrazione (sistema ‘chopper’), di deviare il fascio verso un ‘dump’ (un blocco di piombo) in modo che al paziente non arrivi della dose aggiuntiva a quella prevista dal piano di cura.

Quanto è preciso e affidabile il nostro sistema di scansione attiva della dose al paziente?

Il sistema di magneti che interrompe il fascio (il chopper) ha un tempo di reazione di 100 microsecondi. Il Dose Delivery è in grado di eseguire una misura delle particelle erogate ogni 100 microsecondi. Il numero minimo di particelle che le camere a ionizzazione riescono a rilevare sono (il numero minimo misurabile varia con il variare dell’energia): da 350 a 800 ioni carbonio, da 7.000 a 19.000 protoni.

Le immagini riportate di seguito sono una ludica dimostrazione del livello di controllo che abbiamo in CNAO con il sistema di scansione attiva con la quale si controlla l’erogazione del fascio nelle singole fette. Il ritratto di Garibaldi è stato realizzato nel 2011 con un fascio di protoni con profondità di penetrazione di 60 mm e una dimensione del fascio di 4×4 mm. Il ritratto di Galileo è stato invece realizzato pochi giorni fa con un fascio di ioni carbonio con una profondità di penetrazione di 270 mm e una dimensione del fascio di 3×3 mm, suddividendo la pellicola con voxel di dimensione pari a 3×3 mm^2.

 

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