Prefazione Prefazione Gli studi degli effetti delle radiazioni sui tessuti tumorali animali ed umani hanno permesso di determinare i valori di dose capaci di debellare determinati tumori attraverso la distruzione delle cellule neoplastiche senza la contemporanea distruzione delle cellule sane. Le varie modalità di trattamento (chirurgia, radioterapia e chemioterapia) hanno avuto continui livelli di perfezionamento, tuttavia i progressi maggiori sono stati realizzati dall'applicazione bilanciata ed integrata di queste tre armi antitumorali. Attualmente circa il 50% dei pazienti colpiti da cancro ha bisogno, nell'arco della malattia, di un trattamento radiante. La radioterapia oncologica impiega radiazioni ionizzanti che sono selettivamente focalizzate sul bersaglio tumorale per distruggere le cellule neoplastiche risparmiando, per quanto possibile, i tessuti sani circostanti. La terapia radiante è utilizzata con finalità curative (nei tumori della prostata, della bocca, della laringe, della vescica, ecc.), talvolta integrata con chirurgia o chemioterapia (nei tumori della mammella, del retto, del polmone, nei linfomi). Infine deve essere ricordata l'efficacia della radioterapia come intervento palliativo per eliminare i sintomi (dolore, emorragie, ostruzioni delle vie respiratorie e digestive) che possono alterare la qualità della vita dei pazienti. Ogni anno in Italia sono attesi circa 280.000 nuovi casi di patologie oncologiche la metà dei quali, secondo le stime correnti, necessita di un trattamento radioterapico sia come modalità esclusiva che come associata alla chirurgia o ad altre tecniche terapeutiche. 1
Prefazione Nei trattamenti radioterapici la somministrazione della dose al volume bersaglio è il risultato di un processo articolato in diverse fasi successive: dosimetria di base (taratura dell acceleratore); localizzazione del tumore, del volume bersaglio, degli organi critici, delle strutture anatomiche ed acquisizione dei dati inerenti il profilo del paziente e le disomogeneità tessutali; elaborazione del piano di trattamento e calcolo della dose; simulazione del trattamento; posizionamento del paziente sul lettino e successivo trattamento; dosimetria in vivo. Ognuna delle operazioni appena elencate introduce un incertezza che limita l accuratezza complessiva del piano di trattamento; anche modeste variazioni della dose assorbita possono provocare complicazioni compromettendo la possibilità di guarigione, fondamentale è quindi un controllo dosimetrico al fine di verificare l accuratezza e la precisione del trattamento valutando la corrispondenza tra la dose prescritta e quella assorbita dal bersaglio, dagli organi e dai tessuti sani. In questo lavoro di tesi sono state effettuate misure di dose in ingresso e in uscita rispetto alla direzione del fascio di radiazione, le misure di dose in ingresso forniscono informazioni circa la presenza di errori casuali legati al piano di trattamento, al mal funzionamento della macchina o ad un posizionamento errato del paziente sul lettino. Dai valori di dose in uscita invece, si ricavano informazioni circa eventuali errori sistematici nell algoritmo di calcolo della distribuzione di dose o nella determinazione della morfologia e densità dei tessuti da irradiare. 2
Capitolo 1 1.1 Radiazione ionizzante e non ionizzante La radiazione elettromagnetica può essere suddivisa in due grandi categorie radiazione ionizzante e radiazione non ionizzante. Con il termine radiazione ionizzante si intende qualsiasi tipo di radiazione in grado di produrre, direttamente o indirettamente, la ionizzazione degli atomi e delle molecole del mezzo attraversato. Sono direttamente ionizzanti le particelle cariche come ad esempio gli elettroni, i protoni, e le particelle alfa; indirettamente ionizzanti sono invece le particelle prive di carica elettrica, come i neutroni e i fotoni, che, interagendo con le particelle direttamente ionizzanti abbiano energia sufficiente a metterle in moto. Con il termine radiazione non ionizzante infine indichiamo qualsiasi tipo di radiazione elettromagnetica che non abbia tale energia. 5
1.2 Interazione dei fotoni con la materia I fotoni hanno la capacità di trasferire la loro energia alla materia che attraversano per mezzo di complesse interazioni con i nuclei e gli elettroni atomici. In particolare elenchiamo di seguito i principali meccanismi di interazione tra materia e radiazione elettromagnetica alle energie di interesse in medicina nucleare (fotoni X e gamma): o Effetto fotoelettrico o Effetto Compton o Produzione di coppie Effetto fotoelettrico L effetto fotoelettrico ha luogo quando un fotone di energia fino a circa 100 kev interagisce con un elettrone delle orbite più interne di un atomo (in genere dello strato K) cedendo tutta la sua energia. L elettrone in questione acquista energia cinetica pari alla differenza tra l'energia del fotone incidente E fi e la sua energia di legame di conseguenza si ha un riassestamento degli elettroni dei livelli superiori accompagnata da emissione di radiazioni X (caratteristiche del materiale interessato). 6
La probabilità P f che avvenga l'effetto fotoelettrico è maggiore per mezzi ad alto numero atomico (Z) e per fotoni a bassa energia secondo la formula: P f = Z 4 / E 3 f i (1.1) Questo effetto ha importanti sviluppi in medicina nucleare e in radiobiologia. Effetto Compton L effetto Compton ha luogo quando un fotone interagisce con un elettrone libero o degli orbitali più esterni debolmente legato al nucleo, cedendo parte della sua energia. Come risulato di questa interazione, l elettrone viene deviato di un angolo θ dalla linea di impatto e avrà una energia cinetica E c, il fotone avrà una energia finale E fc e una nuova direzione di propagazione. L angolo di scatter (θ) dipende da questo scambio di energia. L'elettrone e il fotone continuano ad interagire con la materia fino ad esaurire la loro energia. L'energia del fotone Compton è uguale alla differenza tra l'energia del fotone incidente E fi e l'energia dissipata: E fc = E fi (E l + E c ) (1.2) Il fotone Compton viene deviato ad un angolo che è proporzionale all'energia ceduta all'elettrone (anche retrodiffuso). 7
Produzione di coppie La produzione di coppie ha luogo quando un fotone di energia superiore a 1.022 MeV (corrispondente alla massa a riposo dell elettrone e - e del positrone e + ), interagisce col campo Colombiano del nucleo convertendosi in e +, e -. Tutta l'energia oltre la soglia di 1,022 MeV è distribuita in ugual misura tra le due particelle sotto forma di energia cinetica. L'elettrone così prodotto può ionizzare la materia, mentre il positrone va incontro ad annichilazione ricombinandosi con un elettrone con la conseguente produzione di 2 fotoni con energia di 0,511 MeV e momento opposto. Quando la radiazione elettromagnetica attraversa la materia interagendo con essa secondo gli effetti appena citati, la sua intensità viene attenuata seguendo la relazione: I = I 0 e -µ x (1.3) dove I 0 è l intensità incidente, x è la distanza percorsa dal fotone all interno del mezzo e µ è detto coefficiente di attenuazione lineare o di assorbimento. 8
In figura 1 e figura 2 vengono mostrati i contributi all attenuazione del fascio incidente in funzione della sua energia dovuti agli effetti sopra descritti, rispettivamente per l acqua, che simula i tessuti molli, e l allumino che simula l osso. Figura 1. Dipendenza dall energia del coefficiente di attenuazione lineare per fotoni interagenti con acqua. τ effetto fotoelettrico, σ c effetto Compton, k produzione di coppia, µ la somma dei tre contributi. 9
Figura 2. Dipendenza dall energia del coefficiente di attenuazione lineare per fotoni interagenti con alluminio. I tre processi hanno un importante fattore in comune: essi involvono il trasferimento di energia dai fotoni alle particelle cariche. Dal punto di vista della fisica medica, sono le particelle cariche che causano danno da radiazione alle cellule irradiate con raggi X o raggi gamma. 10