Laboratorio Micro e Nanostrutture per la Fotonica (FSN-TECFIS-MNF) Frascati

In ambito bio-medicale è crescente la richiesta di innovazione, soprattutto per sensoristica di ridotte dimensioni, versatile e potenzialmente integrabile in sistemi più complessi, che consenta di combinare il monitoraggio di più parametri, sia nei trattamenti di terapia che nella diagnostica, semplificando le procedure richieste agli operatori sanitari, a vantaggio della affidabilità del risultato e della salute del paziente.

In questo contesto la fotonica gioca un ruolo essenziale, in quanto componenti, sensori e sistemi a lettura completamente ottica non necessitano di sistemi di alimentazione ingombranti e complessi e sono immuni da disturbi elettromagnetici, consentendo il monitoraggio dei parametri di interesse, quali deformazione/temperatura/dose, anche nel corso di indagini e trattamenti svolti sotto guida di imaging NMR, sempre più diffusi e richiesti in ambito ospedaliero.

L’attività del workpackage WP3, Photonics for Health, riguarda lo sviluppo di sistemi di dosimetria clinica e di sensori indossabili per il controllo di irraggiamenti e dei pazienti, e le diagnostiche associate, basati su due classi di sensori a lettura completamente ottica per applicazioni bio-medicali:

• rivelatori di radiazione a lettura ottica di fotoluminescenza basati su fluoruro di litio per dosimetria clinica ed imaging nei trattamenti di radioterapia;
• sensori di Bragg in fibra ottica (FBG) per misure fisiche distribuite sia per attività interventistica (termo ablazione di neoplasie, etc) sia per analisi biometriche e funzionali (respirazione, attività cardiaca, etc.).

• Studio, realizzazione e caratterizzazione di rivelatori di radiazione innovativi per dosimetria clinica basati sulla lettura ottica della fotoluminescenza del fluoruro di litio, con realizzazione di dosimetri a film sottile e di un prototipo di lettore ottico dedicato per la misura della dose immagazzinata nei rivelatori di LiF e della distribuzione spaziale 2D e 3D nei trattamenti di adroterapia.
• Sviluppo e realizzazione prototipale di sistemi di sensori basati su tecnologia FBG, opportunamente funzionalizzati con specifico riferimento alla realizzazione di wearable devices (dispositivi indossabili) per degenza post-operatoria e/o esami funzionali e medicina sportiva (battito cardiaco, metrologia respiratoria, pressione, etc.).

Per le attività proposte sono attive collaborazioni scientifiche internazionali e nazionali (CAMPUS Biomedico di Roma, CNAO Pavia, IFO-IRE Roma, etc.).

Per lo sviluppo di sensori di radiazione per dosimetria e in fibra ottica innovativi in ambito salute, e per la realizzazione dei prototipi proposti, sono fortemente coinvolte le attività di sintesi e caratterizzazione fisico-chimica, ottica e spettroscopica di materiali e film sottili presenti nel Laboratorio FSN-TECFIS-MNF. In particolare si prevede la funzionalizzazione dei sensori FBG con nanocompositi e la produzione dei rivelatori di radiazione di elevata sensibilità mediante multistrati fotonici e nanostrutture.

I risultati conseguiti nel corso del primo anno sono i seguenti:

• Attività di ricerca scientifica e sviluppo tecnologico per la realizzazione di un prototipo di rivelatore di radiazione a film sottile di sensibilità aumentata a lettura ottica.
  Sono stati studiati e realizzati prototipi da laboratorio di rivelatori di radiazione a film sottile di LiF di sensibilità aumentata (fino al 250 %) depositati per evaporazione termica su substrati riflettenti.
• Modellistica per lo studio e simulazione della risposta del rivelatore di radiazione.
  È stato studiato l’effetto delle caratteristiche dei film (spessore, indici di rifrazione) sulla risposta ottica amplificata dei rivelatori di radiazione a film sottile di LiF (Brevetto ENEA n. 773).
• Deposizione per evaporazione termica di film sottili di LiF su differenti substrati e caratterizzazione.
  Sono stati cresciuti per evaporazione termica film sottili di LiF e di Al, e bi-strati LiF/Al/Si e LiF/Al/vetro ed avviata la loro caratterizzazione. Necessario approfondire lo studio per migliorare la riproducibilità delle proprietà ottiche e/o utilizzare substrati commerciali.
• Irraggiamento di rivelatori di LiF (cristalli, film, pasticche) con radiazioni ionizzanti.
  Cristalli e pasticche di LiF sono stati irraggiati con raggi gamma a dosi cliniche presso la sorgente calibrata dell’INMRI (ENEA C.R. Casaccia) per lo studio delle caratteristiche della risposta di fotoluminescenza sotto eccitazione laser. I rivelatori a film sottile sono stati irraggiati prevalentemente presso l’acceleratore TOP-IMPLART (FSN-TECFIS-APAM) ad energie pre-cliniche.
• Caratterizzazione della risposta ottica mediante microscopia e spettroscopia.
  I rivelatori di radiazione per dosimetria clinica (cristalli e pasticche di LiF irraggiati gamma) sono stati caratterizzati principalmente con uno spettrofotometro da banco sotto eccitazione laser, evidenziando la rilevanza di trattamenti termici e della purezza del materiale per aumentare la sensibilità della lettura, attualmente in grado di assicurare l’applicabilità dei cristalli per dosi cliniche con un buon rapporto S/N. Per questo motivo sono stati avviati contatti con la ditta italiana Mega Materials (Pisa), spin-off specializzata nella crescita di cristalli fluoruri. I rivelatori a film sottile di LiF per imaging e dosimetria sono stati caratterizzati prevalentemente mediante microscopia ottica convenzionale in fluorescenza, effettuando anche uno studio sistematico sul rumore di fondo, e spettrofotometria, per lo studio della risposta amplificata.
• Allestimento della strumentazione di laboratorio per imaging e spettroscopia ottica.
  Sono stati allestiti e/o implementati microscopi ottici e spettrofotometri per imaging e spettroscopia ottica avanzata (micro Raman confocale, confocale laser) necessari per la caratterizzazione avanzata dei materiali e dispositivi sviluppati.
• Attività di studio e sperimentazione per inglobare sensori basati su tecnologia FBG all'interno di lingotti sagomati polimerici idonei a consentirne semplice applicazione/rimozione su indossabili preformati (T-shirt, manicotti, guanti, fasce addominali) elasticizzati, è stata conseguita la realizzazione di prototipo di laboratorio.
• Attività di studio e sperimentazione per lo sviluppo di un sensore basato su tecnologia FBG per la misura di umidità con finalità di monitoraggio della sudorazione, è stata conseguita la realizzazione di prototipo di laboratorio.
• Studio della tecnologia dei sensori in fibra ottica LPG (Long Period Grating) allestendo banco per sperimentazione della stessa, sono state maturate conoscenze di base per la applicazione della tecnologia.

Nel corso del secondo anno, caratterizzato da presenza ridotta nei laboratori a causa del COVID-19, sono state svolte:

• Attività di sviluppo tecnologico per la realizzazione dei prototipi ingegnerizzati.
  Indagine su substrati riflettenti commerciali in alternativa a film di alluminio evaporati termicamente su vetro e Si, per ridurre costi e tempi di realizzazione ed ottenere maggiore riproducibilità delle proprietà dei dosimetri a film sottile.
• Completamento e messa a punto degli allestimenti.
  La strumentazione per imaging e spettroscopia ottica acquisita e/o implementata nel primo anno è stata utilizzata con successo su campioni di fluoruro di litio colorati. Lo spettrometro micro-Raman confocale ha permesso per la prima volta la mappatura Raman di cristalli di LiF irraggiati con raggi-X duri. Il microscopio confocale laser, usato come lettore della risposta di rivelatori a film sottile di LiF cresciuti su substrati riflettenti, ha evidenziato una maggiore amplificazione, fino ad un ordine di grandezza, rispetto alla lettura con microscopio a fluorescenza convenzionale in particolari condizioni di spessore e colorazione (Brevetto ENEA n. 773).
• Ingegnerizzazione del rivelatore di radiazione.
  Caratterizzazione morfologica e spettrofotometrica di rivelatori a film sottile di fluoruro di litio di spessore crescente depositati per evaporazione termica su vetro, silicio e substrati compositi riflettenti, ottenuti crescendo film di alluminio su vetro e silicio irraggiati con protoni da 35 MeV prodotti dall’acceleratore TOP-IMPLART. Mediante microscopio a fluorescenza convenzionale, in presenza di alluminio è stata misurata un’amplificazione della risposta fino ad un fattore 4, a seconda dello spessore del film e del substrato, rispetto ai film depositati in assenza di alluminio.
• Ingegnerizzazione del lettore ottico per dosimetria, mediante misure sistematiche di lettura della risposta ottica dei rivelatori in differenti configurazioni/geometrie.
  È stata ottenuta una stima del range dinamico (rapporto tra massima intensità di fotoluminescenza e rumore di fondo), mediante misure sistematiche ed analisi della risposta spettrale indotta da laser, di cristalli di LiF irraggiati con protoni, che è risultato pari a ~110 dB in corrispondenza del picco di emissione dei centri F₂, nel rosso, un valore molto elevato, paragonabile a quello dei migliori rivelatori elettronici in commercio.
  E’ stata misurata la risposta spettrale indotta da laser di cristalli LiF irraggiati gamma a dosi cliniche (1-20 Gy) presso la sorgente ⁶⁰Co di INMRI (ENEA Casaccia), la cui analisi ha permesso di determinare la linearità dell’intensità di fotoluminescenza dovuta a ognuna delle bande di emissione dei centri F₂ ed F₃⁺ in funzione della dose e, a dose fissata, la sub-linearità per i soli centri F₃⁺ in funzione della potenza del laser, tentativamente attribuibile alla presenza di centri legati ad impurezze spettralmente contigui. L’intensità del picco di fotoluminescenza dei centri F₂ è risultata confrontabile, entro il 2%, a quella di un set di cristalli irraggiati 39 mesi prima nelle stesse condizioni, un risultato preliminare incoraggiante per quanto riguarda la stabilità nel tempo.
  Sono stati irraggiati a dosi cliniche (0.5 a 50 Gy) cristalli di LiF mediante protoni di energia nominale 35 MeV prodotti dall’acceleratore TOP-IMPLART. La misura degli spettri di fotoluminescenza indotta da laser ha permesso di determinare la linearità della risposta per i centri F₂ in funzione della dose ed avviare il confronto con quella dei centri prodotti per irraggiamento con sorgente ⁶⁰Co a parità di dose.
  È stato avviato l’allestimento di un primo prototipo di lettore ottico per dosimetri di LiF, costituito da laser compatto a stato solido, modulato elettronicamente, che eccita la fotoluminescenza, spettralmente integrata sull’emissione rossa dei centri F₂ mediante opportuni filtri e raccolta con una lente da un fotomoltiplicatore; il segnale è amplificato da un sistema basato su lock-in fase di realizzazione e test presso ENEA Frascati.
• Ingegnerizzazione del sistema wearable, mediante sensori basati su tecnologia in fibra ottica di tipo puntuale e distribuito continuo, con prove di accoppiamento di sensori basati su tecnologia piezoelettrica e capacitiva.
  È stata svolta l’ottimizzazione del design degli stampini per la realizzazione dei sensori per il monitoraggio dell’area dorsale, sia con riferimento al monitoraggio dei movimenti dei compartimenti interessati dai movimenti dovuti alla respirazione, sia con riferimento al monitoraggio del battito cardiaco. La ottimizzazione del design ha riguardato principalmente la soluzione dei problemi connessi alla protezione della fibra ottica all’ingresso/uscita dell’involucro polimerico che ingloba l’elemento senziente in fibra ottica.
• Prove di caratterizzazione dei sensori integrati in wearable tipo manicotti e band/strap.
  È stata svolta l’attività per lo sviluppo e la sperimentazione di impugnature sensorizzate per le prove di riflessi indotti in neonati. Le impugnature sono prodotte mediante stampa 3D e strumentate con sensori FBG applicati mediante incollaggio strutturale. Lo svolgimento delle prove sperimentali ha avuto luogo presso il Imperial College of London nell’ambito delle attività di collaborazione con l’Università Campus BioMedico di Roma per la tesi di dottorato dell’Ing. Daniela Lo Presti, ospite MNF.
  È stata svolta anche attività di prove sperimentali per la caratterizzazione di band/strap per il monitoraggio della zona cervicale, ottimizzati per il monitoraggio della postura a videoterminale.
• Sensori di umidità per la sudorazione.
  È stata svolta attività di sviluppo del prototipo, in particolare per il conferimento di adeguata proprietà di resistenza meccanica ed alla manipolazione del sistema. La soluzione provata prevede la protezione della fibra ottica, preventivamente funzionalizzata con agar, mediante inglobamento in polimero silossanico commerciale. Il prototipo è stato positivamente provato in camera climatica determinando sensibilità e tempi di risposta.

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

• ingegnerizzazione del lettore ottico per dosimetria, mediante misure sistematiche di lettura della risposta ottica dei rivelatori in differenti configurazioni/geometrie;
• ingegnerizzazione del rivelatore di radiazione a film sottile di LiF a risposta amplificata;
• ricostruzione 3D di distribuzioni volumetriche di centri di colore prodotti da raggi X in cristalli di LiF mediante sistemi confocali laser di microscopia a fluorescenza e micro-spettroscopia Raman;
• ealizzazione di sensori di umidità relativa ottenuti funzionalizzando sensori in fibra ottica di tipo FBG con il chitosano;
• prove di caratterizzazione di sensori di umidità integrati in indossabili tipo mascherine protettive;
• realizzazione, prove di caratterizzazione e test di prototipi di dispositivi indossabili per il monitoraggio dell’attività respiratoria mediante l’uso di sensori di umidità;
• test di prototipi di dispositivi indossabili per il monitoraggio delle funzioni vitali, quali attività cardiaca e respiratoria.

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

• irraggiamento con protoni ad energie cliniche presso il Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica (CNAO) e studio della risposta di radiofotoluminescenza dei rivelatori basati su LiF;
• ingegnerizzazione del rivelatore di radiazione a film sottile di LiF con risposta amplificata per imaging 2D della curva di Bragg di protoni ad energie pre-cliniche e modellistica;
• caratterizzazione mediante micro-spettroscopia Raman/luminescenza a scansione di superficie di film di LiF irraggiati con raggi-X molli;
• risposta in fotoluminescenza e risoluzione spaziale di rivelatori di LiF irraggiati con raggi X duri e monocromatici presso il sincrotrone SOLEIL;
• sono state eseguite ed in corso di esecuzione test di sperimentazione e validazione di:
  • sensori di umidità per la sudorazione e per indossabili tipo mascherine protettive;
  • sensori per dispositivi indossabili per il monitoraggio dell’attività respiratoria mediante l’uso di sensori di umidità;
  • sensori per dispositivi indossabili per il monitoraggio di funzioni vitali, quali attività cardiaca e respiratoria.

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

• E’ stato allestito e testato il prototipo di lettore in fotoluminescenza per dosimetria clinica;
• Sono state effettuate simulazioni Monte Carlo e con modello analitico della deposizione di energia in cristalli e film di LiF da parte di protoni accelerati;
• Sono stati realizzati e caratterizzati rivelatori a film di LiF per dosimetria clinica;
• Sono stati caratterizzati mediante micro-spettroscopia Raman/luminescenza a scansione di superficie di film di LiF irraggiati con raggi-X molli;
• È stato eseguito il design progettuale con prove tecnologiche di produzione prototipale di sensori FBG di umidità relativa per dispositivi non a contatto;
• Sono stati realizzati sensori FBG per dispositivi per il monitoraggio contemporaneo della frequenza respiratoria e del battito cardiaco e per avere informazioni sulle posizioni assunte da pazienti durante la fase di riposo;
• Sono stati realizzati sensori FBG per dispositivi indossabili per la somministrazione controllata di farmaci.

Il Laboratorio Micro e Nanostrutture per la Fotonica (FSN-TECFIS-MNF) del Dipartimento Fusione e Tecnologie per la Sicurezza Nucleare (FSN), nella Divisione Tecnologie Fisiche per la Sicurezza e la Salute (TECFIS), svolge principalmente attività di studio, ricerca e sviluppo nella fotonica e nelle nanotecnologie, in particolare sintesi e caratterizzazione spettroscopica di nanostrutture funzionali, progettazione, realizzazione e caratterizzazione ottica di sorgenti di luce miniaturizzate e rivelatori di radiazione innovativi, messa a punto di sistemi di monitoraggio in fibra ottica, anche basati su sensori di Bragg funzionalizzati, che consentono applicazioni innovative e soluzioni industriali ingegnerizzate ed efficienti in differenti ambiti scientifici ed industriali. Ha proposto (Brevetto 2002), realizzato e sviluppato (Brevetto 2013) rivelatori innovativi di radiazioni basati su proprietà fondamentali di film contenenti difetti per applicazioni di imaging-X (Progetto FIRB-EUVL, 2005-2007), applicati con successo alla diagnostica avanzata di fasci di protoni (Progetto TOP-IMPLART, coordinato da FSN-TECFIS-APAM, per la realizzazione di un impianto di protonterapia basato su un acceleratore lineare di protoni). L’attività relativa al WP3_A1 nasce nel 2014 da una collaborazione internazionale per la dosimetria clinica sia su sorgenti di fotoni per radioterapia che di particelle per adroterapia, con il coinvolgimento del CNAO di Pavia. L’attività relativa al WP3_A2 combina la pluriennale esperienza del Laboratorio FSN-TECFIS-MNF sullo sviluppo, allestimento e sperimentazione di sistemi in fibra ottica basati su reticoli a modulazione dell’indice di rifrazione per il monitoraggio di parametri fisici ed ambientali per il controllo di infrastrutture e processi con la progettazione e la realizzazione dei medesimi sensori funzionalizzati per applicazioni biomedicali, sulla base della lunga e proficua collaborazione con il CAMPUS Biomedico di Roma. Entrambe intendono sfruttare la combinazione “smart” di materiali e fotonica per sensoristica miniaturizzata a lettura ottica in ambito bio-medicale.

Seguono alcune pubblicazioni di riferimento relative alle attività del laboratorio pertinenti il WP3:

R.M. Montereali, Point Defects in Thin Insulating Films of Lithium Fluoride for Optical Microsystems, in Handbook of Thin Film Materials, H.S. Nalwa ed., Vol.3: Ferroelectric and Dielectric Thin Films, 2002, Academic Press, Ch.7, pp.399-431.

J.E. Villarreal-Barajas, M. Piccinini, M.A. Vincenti, F. Bonfigli, R. Khan, R.M. Montereali, Visible photoluminescence of colour centres in LiF crystals for absorbed dose evaluation in clinical dosimetry, IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 80 (2015) 12020, pp.1-5.

G. Allegretti, P. Saccomandi, F. Giurazza, M.A. Caponero, G. Frauenfelder, F.M. Di Matteo, B. Beomonte, Zobel, S. Silvestria, E. Schena, Magnetic resonance-based thermometry during laser ablation on ex-vivo swine pancreas and liver, Medical Engineering & Physics, Vol. 37 (2015) Issue 7, pp. 631-641 doi: 10.1016/j.medengphy.2015.04.001.

M. Piccinini, E. Nichelatti, A. Ampollini, L. Picardi, C. Ronsivalle, F. Bonfigli, S. Libera, M.A. Vincenti and R.M. Montereali, Proton beam dose-mapping via color centers in LiF thin film detectors by fluorescence microscopy, Europhysics Letters 117 (2017) 37004-1-5 doi: 10.1209/0295-5075/117/37004.

D. Lo Presti, C. Massaroni, D. Formica, P. Saccomandi, F. Giurazza, M.A. Caponero, E. Schena, Smart textile based on 12 fiber Bragg gratings array for vital signs monitoring,  IEEE Sensors Journal 17.18 (2017): 6037-6043 doi: 10.1109/JSEN.2017.2731788.

C. Massaroni, M.A. Caponero, R. D’Amato, D. Lo Presti, E. Schena, Fiber Bragg Grating Measuring System for Simultaneous Monitoring of Temperature and Humidity in Mechanical Ventilation, Sensors 17 (2017) 4, 749 doi: 10.3390/s17040749