Laboratorio acceleratori di particelle ed applicazioni medicali (FSN-TECFIS-APAM) Frascati
Responsabile del WP2: dott.ssa Concetta Ronsivalle

Il Workpackge WP2 consiste nella realizzazione di un sistema prototipale per il trattamento del tumore alla mammella con paziente in posizione prona. Esso si basa sull’impiego di una sorgente di fotoni rotante  e schermata  costituita da un  acceleratore lineare compatto di elettroni (LINAC) da 3 MeV posto al di sotto di un lettino dotato di una apertura circolare attraverso cui passa il bersaglio tumorale. Tale geometria fa sì che la paziente esponga soltanto la mammella alle radiazioni ionizzanti, il che limita  i danni collaterali ai tessuti sani circostanti. Questa attività è nata da una precedente collaborazione con il Laboratorio di Fisica e Sistemi Esperti dell’Ospedale IFO-IRE di Roma. Il sistema è in corso di sviluppo presso il laboratori APAM dell’ENEA di Frascati dove è stata predisposta un’area schermata (bunker) appositamente attrezzata per l’assemblaggio e i test del prototipo.

Lo schema del sistema prevede che il linac sia provvisto di un convertitore beta-gamma, un filtro diffusore e un collimatore e sia montato su una struttura girevole attorno a un asse. Il linac, il filtro diffusore e il collimatore sono schermati da una camicia esterna di piombo destinata a contenere la dose diffusa al di sotto dei limiti massimi consentiti per operatori posti al di fuori dei bunkers di radioterapia, in modo da poter utilizzare la macchina in un comune reparto di radiologia. E’ prevista una distanza sorgente-asse (SAD) tra 60 e 70 cm che corrisponde a una curva di penetrazione di dose in profondità simile a quella di una unità ⁶⁰Co per la copertura di un bersaglio di medie dimensioni (10-12 cm).

Durante il primo anno è stata progettata, realizzata ed acquisita la maggior parte dei componenti chiave del sistema:

• Acceleratore lineare di elettroni da 3 MeV provvisto di cannone elettronico. Sia il linac che il cannone elettronico sono stati realizzati su progetto ENEA. Il linac è un acceleratore a radiofrequenza (RF) che lavora in regime impulsato. La frequenza RF è 2997.92 MHz (banda S) e il fascio di elettroni accelerato viene prodotto in impulsi di durata variabile fino a 4 microsecondi ad una massima frequenza di ripetizione di 200 Hz (200 impulsi al secondo). 
• Sistema da vuoto della struttura accelerante.
• Sistema di  termalizzazione della struttura accelerante.
• Generatore della potenza a radiofrequenza (MAGNETRON) in grado di erogare una potenza RF fino a 2MW in un impulso di 5 microsecondi.
• Sistema di pilotaggio del magnetron (MODULATORE).
• Elettronica di controllo del cannone elettronico e del modulatore.
• Supporto basato sull’impiego di profilati BOSCH-REXROTH disegnato e montato presso il laboratorio APAM.
• Disegno del sistema di movimentazione della testa radiante.

Il secondo anno di TECHEA-WP2 è stato dedicato alle seguenti attività tecnico-scientifiche:

• Caratterizzazione su banco a radiofrequenza della struttura accelerante da 3 MeV.
• Sistemazione del bunker B5 per alloggiamento del prototipo e assemblaggio dei principali componenti del sistema funzionale alle prime prove di accelerazione del fascio di elettroni in condizioni statiche.
• Prime prove sperimentali di accensione del modulatore e di pilotaggio del magnetron (generatore della potenza a radiofrequenza).
• Progettazione del sistema di conversione del fascio di elettroni in radiazione X e sua acquisizione.
• Progettazione della schermatura locale.
• Definizione delle attività relative alla collaborazione con IFO (Istituti fisioterapici Ospedalieri – Roma) per la caratterizzazione dosimetrica del prototipo e sua validazione per l’impiego clinico.

Le attività effettuate nel corso del terzo anno sono le seguenti:

• test di accelerazione del fascio di elettroni fino alla massima frequenza di ripetizione prevista dal progetto (100 Hz);
• caratterizzazione del fascio di elettroni accelerato in termini di corrente, dimensione trasversa ed energia in varie condizioni di operazione all’uscita dell’acceleratore (linac), verificando la coerenza con quanto atteso dal progetto;
• montaggio in uscita dal linac del convertitore elettroni-raggi X e sono stati effettuati i primi test di produzione di radiazione X;
• avvio della realizzazione e del montaggio della schermatura di piombo locale.

Nel corso del quarto anno:

• è stata effettuata la riparazione dell’impulsatore del cannone elettronico;
• sono state acquisite due camere a ionizzazione per “setting” della dose e controllo della dose erogata sul target;
• è stata ultimata la gara per la fornitura del lettino, del cover dell’apparato e del sistema di movimentazione e rotazione;
• è stato attivato un contratto di consulenza con il Laboratorio di Fisica dei sistemi esperti dell’IFO (Istituti Fisioterapici Ospedalieri di Roma) per l’effettuazione delle misure di caratterizzazione dosimetrica e della radiazione ambientale;
• sono state completate tutte le attività volte a ripristinare i requisiti di sicurezza previsti dalle pratiche autorizzative.

Nel corso del quinto anno sono state svolte le seguenti attività:

• Sono stati realizzati e montati il sistema di rotazione della sorgente attorno al target e il dispositivo di posizionamento del paziente;
• Sono stati montati e calibrati i sistemi dosimetrici dedicati alla misura “on line” della radiazione X prodotta;
• Sono state effettuate, in collaborazione con il Laboratorio di Fisica Medica e Sistemi Esperti dell’Ospedale IFO-IRE (Istituti Fisioterapici Ospedalieri - Istituto Regina Elena), misure di caratterizzazione della radiazione X nella posizione dell’isocentro tramite misure della curva PDD in fantoccio di acqua solida e di distribuzione trasversa della radiazione;
• Sono state anche condotte misure di radiazione ambientale, in collaborazione con il personale del suddetto Laboratorio dell’IFO;
• Sono stati effettuati irraggiamenti con la radiazione X di rivelatori di radiazione basati su LiF (fluoruro di litio) sviluppati dal Laboratorio MNF nell’ambito del workpackage TECHEA-WP3;
• E’ stata svolta una attività di divulgazione dei risultati ottenuti nell’ambito di conferenze nazionali e internazionali con pubblicazione negli atti del congresso.

Il laboratorio Acceleratori di Particelle e Applicazioni Medicali (APAM) ha una pluridecennale storia di realizzazione di impianti prototipali di acceleratori lineari per utilizzo in campo medicale sia con fasci di protoni (Progetto TOP-IMPLART attualmente in corso in collaborazione con Istituto Superiore di Sanità e IFO-Regina Elena dedicato alla realizzazione di un impianto di protonterapia basato su un acceleratore lineare di protoni) sia con fasci di elettroni ed una forte connotazione di trasferimento di questo know-how all’industria nazionale. Una procedura analoga a quanto si intende effettuare nell’ambito di TECHEA-WP2, fu messa in atto dallo stesso laboratorio negli anni ’90 e condusse alla realizzazione di un dispositivo per Radioterapia Intraoperatoria (IORT) anch’esso basato su un piccolo acceleratore lineare di elettroni sviluppato da ENEA, compatto a bassa radiazione diffusa in grado di essere impiegato in una comune sala operatoria senza l'aggiunta di schermature strutturali, ma solo con schermi mobili da posizionare soltanto in corrispondenza del campo di utilizzo. Il sistema, in due versioni, NOVAC e LIAC è da tempo sul mercato ed è realizzato e commercializzato dalla SIT (Aprilia, Lazio), (https://www.soiort.com/), ditta che ha sviluppato anche alcune componenti della macchina TECHEA. Questo è sinora l’unico esempio di realizzazione di un apparato per radioterapia realizzato interamente in Italia da una ditta italiana: tutti gli apparati di radioterapia in funzione sono acquistati all’estero, principalmente da multinazionali.

L’attività relativa al WorkPackage WP2 è nata da una precedente collaborazione con il Laboratorio di Fisica e Sistemi Esperti dell’Ospedale IFO-IRE di Roma che alla fine del 2012 ebbe un finanziamento da parte del Ministero della Salute per un progetto di durata tre anni dal titolo “Development and optimization of a dedicated self-shielded system to perform accelerated partial breast irradiation in prone position after breast conserving surgery". In tale ambito ENEA fu coinvolto nella definizione dei parametri dell'acceleratore e delle indicazioni tecniche per la realizzazione della struttura accelerante e la sua integrazione nel sistema complessivo.

Nel seguito si riportano alcune pubblicazioni di riferimento relative alle attività del laboratorio nel settore degli acceleratori medicali:

L. Picardi, C. Ronsivalle, A. Tata, A. Vignati, “The Italian IORT Project”, Proceedings of EPAC 2000, Vienna, Austri, P. 2545

C. Ronsivalle, L. Picardi,  V. Iacoboni, S. Teodoli, G. Barca, R.  Siciliano, “Technical features and experimental characterization of the IORT-1 system, a new IORT dedicated accelerator”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A562 (2006) 1042–1045

C. Ronsivalle, M. Carpanese, C. Marino, G. Messina, L. Picardi, S. Sandri, E.Basile, B. Caccia, D.M. Castelluccio, E. Cisbani, S. Frullani, F. Ghio, V. Macellari, M. Benassi, M. D’Andrea and L. Strigari, "The TOP-IMPLART Project", Eur. Phys. J. Plus, 126: 68 (2011) 1-15.

L. Picardi, A. Ampollini, G. Bazzano, E. Cisbani, F. Ghio, R. M. Montereali, P. Nenzi, M. Piccinini, C. Ronsivalle, F. Santavenere, V. Surrenti, E. Trinca, M. Vadrucci, E. T. Wembe,"Beam commissioning of the 35 MeV section in an intensity modulated proton linear accelerator for proton therapy”, PHYSICAL REVIEW ACCELERATORS AND BEAMS 23, 020102 (2020)

Sito web del laboratorio APAM: http://www.frascati.enea.it/accelerators/Sito/index.htm