Introduzione. Introduzione

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1 Introduzione Introduzione La radioterapia è un metodo di cura che prevede l uso di radiazioni altamente energetiche per il trattamento di pazienti portatori di malattie neoplastiche,sia come terapia esclusiva che in combinazione con la chirurgia e la chemioterapia; la tecnica consta nell irradiare un volume tumorale mediante fasci di fotoni ad alta energia,elettroni o protoni, a seconda delle caratteristiche volute dalla radiazione:mentre gli elettroni si attenuano rapidamente nel tessuto,fotoni e protoni raggiungono regioni profonde. La principale difficoltà connessa alla radioterapia è la necessità di ottenere una dose elevata nella regione neoplasica senza danneggiare i tessuti sani adiacenti;l evoluzione tecnologica consente di migliorare la precisione con la quale si identificano i volumi da trattare, attraverso apparecchiature diagnostiche (come la TAC o la risonanza magnetica) e la esattezza della distribuzione della dose sul bersaglio, per mezzo di sistemi computerizzati in grado di ricostruire tridimensionalmente l anatomia del paziente,fino all impiego di collimatori multilamellare e della tecnica IMRT (Intensity modulation radiation therapy),attraverso la quale si può variare l intensità del fascio radiante a seconda dello spessore del volume da colpire. L Azienda ospedaliero-universitaria Ospedali Riuniti di Foggia,presso la quale ho svolto l attività di tirocinio, ha inaugurato nell ottobre del 2006 la Struttura complessa di Radioterapia,con lo scopo di fornire agli abitanti della città e della provincia la possibilità di trattare le malattie neoplasiche mediante l uso di radiazioni ionizzanti. La struttura è dotata di due acceleratori lineari Elekta Precise,in grado di soddisfare virtualmente una popolazione di individui,così come richiesto 5

2 Introduzione dalle direttive ministeriali sui requisiti di accreditamento ( individui per ciascun acceleratore );la strumentazione a disposizione nel Servizio è completata da una TAC multistrato,esclusiva per il servizio, e dall apparecchiatura per la brachiterapia,una differente forma di radioterapia in cui delle piccole capsule contenenti sorgenti radioattive, che vengono poste nelle immediate vicinanze della zona da trattare, rilasciano una piccola quantità di energia radiante. Nel presente lavoro si descrive la procedura tecnica ed amministrativa seguita dall Ufficio tecnico dell ospedale,in collaborazione con il personale del Servizio di radioterapia nel collaudo di accettazione degli acceleratori lineari a disposizione dell azienda ospedaliera. L Area di gestione tecnica partecipa in primo luogo alle scelte strategica sulla acquisizione della tecnologia,stendendo la parte tecnica dei capitolati, e si occupa in seguito della verifica della sicurezza elettrica,meccanica e radiologica e dei controlli di qualità,in concorso con i fisici sanitari,oltre a redigere un piano di manutenzione preventiva ed esercitare il ruolo di interfaccia tra il reparto e la ditta che fornisce l apparecchiatura. Le informazioni ottenute durante il collaudo dell acceleratore devono essere registrate dettagliatamente per costituire il libro macchina,ovvero un fascicolo dedicato,in cui sono contenuti tutti i dati dell apparecchiatura,i risultati delle prove a cui è stata sottoposta,il programma di manutenzione;il fascicolo è indispensabile per monitorare il funzionamento nel tempo dell apparecchiatura fino alla messa in fuori uso ed al personale sanitario che ha in assegnazione l apparecchio spetta l aggiornamento del fascicolo. Nel primo capitolo dell elaborato sono contenuti alcuni cenni al valore terapeutico delle radiazioni ed alle tecniche utilizzate dal medico oncologo,in concerto con il fisico sanitario,per la redazione dei piani di trattamento;viene in seguito descritta la disposizione dei locali del 6

3 Introduzione Servizio di Radioterapia,gli accorgimenti utilizzati nella costruzione del bunker,per garantire la protezione dai pericoli legati alla radiazione,oltre ai principi con cui viene regolamentato l accesso ai locali. Segue una accurata descrizione dei sistemi che compongono l acceleratore, della struttura e dei principi di funzionamento dei singoli componenti e dei comportamenti che il personale professionale deve mettere in atto, al fine di ottenere una terapia efficace. I sistemi sono descritti nelle diverse possibili configurazioni ed in particolare, per quanto riguarda la testata di irradiazione,per le due tecniche disponibili (radiazione X e radiazione elettronica);sono delineate con maggiore approfondimento le soluzioni adottate dalla ditta Elekta nella costruzione del linac Precise. Nel secondo capitolo vengono esaminati la legge n. 109 e i decreti attuativi che regolano il collaudo di un apparecchiatura da parte di una amministrazione pubblica,come nel caso in esame,descrivendo la procedura amministrativa necessaria,la figura professionale che se ne occupa e la documentazione prodotta;vengono poi discusse le norme tecniche redatte dal CEI,le procedure di collaudo dell apparecchiatura e la documentazione necessaria per l accettazione. Nel terzo capitolo sono descritte le prove di sicurezza elettrica e meccanica, condotte dal collaudatore, necessarie a garantire il funzionamento sicuro del macchinario; il quarto capitolo tratta le prove di sicurezza radiologica,sia per il paziente sottoposto al trattamento,sia per il personale professionale esposto agli effetti negativi delle radiazioni. Nel quinto capitolo vengono riportate le prove funzionali a cui il fisico sanitario sottopone l acceleratore, con lo scopo di accertare che l apparecchiatura fornisca le prestazioni dichiarate dal costruttore. 7

4 1. Principi di funzionamento e tecnologia dell acceleratore 1.1 L acceleratore e la radioterapia L acceleratore ad uso medicale è un dispositivo che utilizza la capacità delle onde elettromagnetiche ad alta frequenza di accelerare particelle cariche, come gli elettroni, per produrre fasci con elevati valori di energia cinetica. Lo stesso fascio di elettroni ad alta energia può essere utilizzato per il trattamento diretto di neoplasie superficiali o per colpire un bersaglio, al fine di produrre raggi X per il trattamento di neoplasie formatesi in profondità. Lo scopo della radioterapia è distruggere le cellule tumorali,attraverso l utilizzo di radiazioni,la cui energia deve essere sufficiente a ionizzare i tessuti con cui entrano in contatto. Il trattamento consiste nel sottoporre il volume tumorale ad una dose di radiazioni sufficientemente elevata,tale da distruggerlo;la dose nei tessuti circostanti deve essere mantenuta entro limiti tali da non comportare un eccessivo danno biologico. Il successo del trattamento radioterapico è strettamente legato alla sovrapposizione tra il fascio incidente e i tessuti tumorali colpiti: la possibilità di variare l angolazione, la posizione e l energia del fascio diviene una caratteristica fondamentale per ottenere una distribuzione dell energia ben definita ed evitare la diffusione laterale del fascio,la quale comporterebbe un incremento del danno biologico dei tessuti sani. Un controllo locale del tumore,attraverso l utilizzo delle curve doseeffetto, consente di ottenere la selettività balistica necessaria,ovvero la 8

5 differenza tra la dose al bersaglio e quella ai tessuti sani coinvolti nell irradiazione. Le radiazioni utilizzate in radioterapia variano dalle radiazioni elettromagnetiche (raggi X, radiazioni di decadimento di radionuclidi) alle radiazioni corpuscolari (elettroni,adroni). Sono in commercio diverse tipologie di acceleratori progettati per l uso clinico, tra cui i più comuni permettono l utilizzo di due tipologie di radiazioni: Elettroni:hanno la caratteristica di cedere la loro energia in maniera uniforme, in tessuti spessi pochi centimetri (dai 2 ai 10 cm);in questo modo i tessuti posti al di sotto della zona irradiata sono salvaguardati dagli effetti negativi della radiazione; Raggi X :sono utilizzati per il trattamento di neoplasmi profondi in virtù dell elevato potere di penetrazione; l eterogeneità della composizione dei tessuti influenza in minima parte l assorbimento della radiazione e la superficie cutanea che si trova al di fuori della proiezione geometrica del fascio di raggi X non subisce alcun danno biologico. Figura 1.1 Curva dose-effetto per il controllo locale del tumore. 9

6 In questi acceleratori si hanno diversi livelli di energia per la tecnica a raggi X, in un range tra i 4 ed i 25 MV, e più livelli discreti di energia per la tecnica ad elettroni tra i 4 ed i 22 MeV. L intensità delle correnti necessarie per produrre i fasci di elettroni ad uso clinico hanno valori molto più modesti, di circa tre ordini di grandezza, se confrontati a quelli necessari per la produzione dei fotoni. I valori di energia cinetica richiesti nell uso medicale dell acceleratore, variano tra i 4 MeV delle apparecchiature a bassa energia, fino ai 25 MeV delle apparecchiature ad alta energia; per l accelerazione vengono utilizzate onde viaggianti o stazionarie, nel campo delle microonde, con un range di frequenza tra i 3 10 MHz (L band) e 4 10 MHz (X band), con un picco nella distribuzione della frequenza delle onde utilizzate a 2856 Mhz (S band). 1.2 Servizio di Radioterapia e struttura dell apparecchiatura Il sistema di trattamento viene posizionato nei locali del Servizio di Radioterapia della struttura ospedaliera,una struttura in cemento armato (bunker) in grado di ospitare in sicurezza i pazienti sottoposti alla radioterapia ed il personale che opera in questi ambienti. Nel Servizio si individuano tre locali principali in cui è collocata l apparecchiatura: la stanza di trattamento; la stanza dei comandi; la stanza dell apparecchiatura. Le pareti dei locali, in particolare per quanto concerne la stanza di trattamento, debbono essere sufficientemente spesse, in modo da garantire la protezione dalle radiazioni degli ambienti circostanti. Si utilizzano delle barriere di protezione,la cui natura e spessore è funzione del tipo e dell energia delle radiazioni da attenuare. 10

7 Nella sala dei comandi si trovano le apparecchiature necessarie per il controllo del corretto funzionamento dell acceleratore, vale a dire il pannello di controllo ed il relativo hardware. Nella stanza di trattamento, dove viene introdotto il paziente, troviamo il gantry, il tavolo porta paziente, con i relativi comandi, ed un monitor. Nella stanza dell apparecchiatura si trovano quei componenti, come ad esempio l alimentazione del modulatore di impulsi, che devono essere collocati in locali radioprotetti, in cui le modalità di accesso vengono regolate da appositi protocolli. La stanza di trattamento,classificata come zona controllata,viene indicata da indicatori luminosi ed acustici attivi durante l emissione dei raggi;gli accessi al locale sono dotati di microswitch in grado di impedire l emissione dei raggi nel caso la porta non sia perfettamente chiusa. Gli altri locali sono classificati come zona sorvegliata o non classificati a seconda del livello di radioattività presente. Figura 1.2 Locali del Servizio di radioterapia 1:stanza di trattamento; 2:stanza dei comandi;3:stanza dell apparecchiatura. 11

8 L apparecchiatura è costituita da uno stand, in cui è contenuto il dispositivo che genera le microonde necessarie per l accelerazione degli elettroni, vale a dire il generatore a radiofrequenza, generalmente un magnetron. Connesso allo stand, vi è un dispositivo in grado di ruotare attorno al paziente, il gantry, che rende possibile trattare il paziente secondo differenti angolazioni a seconda delle necessità terapeutiche; sul gantry sono montati quei dispositivi che concorrono alla formazione del fascio di raggi X o di elettroni, come il cannone elettronico, la struttura accelerante, il sistema di trasporto degli elettroni e lo stesso bersaglio per la formazione dei raggi X. Il gantry ruota su di un asse orizzontale, mentre il fascio di radiazione, che emerge dal collimatore situato nella testata di irradiazione, è diretto perpendicolarmente al centro dell asse del gantry. Il punto dello spazio in cui l asse centrale del fascio e l asse del gantry si incontrano, è detto isocentro; nelle usuali applicazioni terapeutiche, il paziente è posizionato sul lettino in modo che la zona da irradiare coincida con l isocentro. Il posizionamento è facilitato dalla possibilità di ruotare il lettino e muoverlo linearmente nelle tre direzioni spaziali e da una serie di lasers, montati sulle pareti della stanza di trattamento, che proiettano fasci luminosi che si intersecano nell isocentro. L operatore ha, quindi, il compito di posizionare correttamente il paziente e di predisporre e controllare il trattamento da una console, situata nella sala dei comandi. 12

9 Figura 1.3 Schema del lettino porta-paziente, in cui le frecce indicano i movimenti del sistema. I componenti di un acceleratore medicale, che concorrono alla formazione del raggio sono solitamente raggruppati in sei classi: Sistema di iniezione; Sistema di generazione della potenza a RF; Guida acceleratrice; Sistema di trasporto del fascio elettronico; Sistema di collimazione e monitoraggio del fascio; Sistema ausiliario. Figura 1.4 Schema di un acceleratore isocentrico. 13

10 1.3 Sistema di iniezione degli elettroni Il sistema di iniezione è la sorgente degli elettroni; è essenzialmente un semplice acceleratore elettrostatico, chiamato cannone elettronico. Negli acceleratori medicali vengono utilizzate due differenti tipologie di cannone elettronico, che si distinguono per l utilizzo di un diodo o di un triodo. Entrambi sono valvole termoioniche costituite da: un tubo, in cui è praticato un vuoto (minore di 6 10 mmhg) per rendere più semplice la corsa degli elettroni tra anodo e catodo. un filamento metallico a spirale, detto catodo, costruito in tungsteno, che viene percorso da una corrente e portato all incandescenza. Il catodo è connesso al polo negativo di un generatore di tensione. un elemento metallico perforato, detto anodo, viene messo a terra. nel tipo a triodo, una griglia, costituita da un reticolo di sottili fili metallici, interposta tra anodo e catodo. Gli elettroni sono emessi per effetto termoionico dal catodo riscaldato, il fascio viene focalizzato dall elettrodo di Wehnelt e gli elettroni vengono accelerati verso l anodo perforato, oltre il quale vengono spinti nella guida acceleratrice. In un cannone a triodo, invece, la tensione tra anodo e catodo è mantenuta ad un valore fisso di 20 kv. La griglia è normalmente tenuta ad un potenziale sufficientemente negativo rispetto al catodo, in modo da respingere gli elettroni emessi dal catodo quanto più la griglia è polarizzata negativamente, fino ad interrompere la corrente verso l anodo (condizione di cut-off). L'applicazione naturale del triodo è 14

11 l'amplificazione dei segnali, in quanto piccole variazioni della tensione di griglia, producono variazioni notevoli dell'intensità di corrente. L iniezione degli elettroni nelle guide acceleratrici è controllata da impulsi di tensione, generati da un modulatore, che vengono applicati alla griglia e che devono essere sincronizzati con gli impulsi applicati al generatore di microonde Figura 1.5 Cannone elettronico a diodo ed a triodo. 1.4 Generatore in radiofrequenza Le microonde utilizzate nelle guide acceleratrici, allo scopo accelerare gli elettroni fino all energia cinetica desiderata, sono prodotte da un generatore in radiofrequenza, che consiste in due principali componenti: una sorgente di radiofrequenza; un modulatore di impulsi. La sorgente di radiofrequenza può essere un magnetron o un klystron. Entrambi sono strumenti che utilizzano l accelerazione e la 15

12 decelerazione degli elettroni nel vuoto per la produzione di campi RF di elevata potenza. I due dispositivi utilizzano l emissione termoionica di elettroni da un catodo riscaldato e accelerano gli elettroni verso un anodo con un campo elettrostatico pulsato, ma la loro struttura è completamente differente. Il klystron fa parte della classe dei tubi a fascio e viene utilizzato negli acceleratori medicali come amplificatore di un segnale a bassa potenza RF, generato da un oscillatore comunemente chiamato RF driver. Gli elettroni prodotti dal catodo di un cannone elettronico, sono accelerati da una tensione negativa e inviati in una prima cavità risonante (buncher cavity), che viene eccitata dalle microonde generate dall Rf-driver. Le microonde generano un campo elettrico alternato, che modula in velocità il fascio di elettroni: alcuni elettroni sono accelerati, altri decelerati ed altri ancora rimangono inalterati. All'ingresso della seconda cavità (catcher cavity), la modulazione di velocità diviene una modulazione di densità; si formano cioè dei pacchetti di elettroni addensati. Questi pacchetti, entrando nella cavità risonante alla frequenza delle microonde, inducono cariche sulle sue pareti e generano un campo elettrico decelerante: l energia cinetica persa degli elettroni viene convertita in microonde ad alta potenza RF emesse dalla cavità. 16