IT202100019001A1 - Dosimetro per radioterapia flash - Google Patents
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Description
?Dosimetro per radioterapia flash?
Campo tecnico dell'invenzione
L?invenzione ricade nell'ambito della dosimetria delle particelle cariche e raggi gamma, in particolare la radioterapia a rateo ultra-elevato (flash-radiotherapy) ed i trattamenti di sterilizzazione industriale. Essa propone un dosimetro per particelle cariche e raggi gamma, adatto per fasci sia continui che pulsati, con risposta lineare fra 0.001 MGy/s a 10 MGy/s.
Arte nota
La radioterapia oncologica ha ormai raggiunto livelli di accuratezza elevatissimi per quanto riguarda la conformazione della distribuzione di dose alla forma della lesione, con lo scopo di risparmiare al massimo i tessuti sani. La comune radioterapia ospedaliera con elettroni e fotoni di alta energia (fino a circa 18 MeV) ha percorso grandi passi nelle ultime tre decadi, a partire dalla Radioterapia conformazionale tridimensionale (3-D-CRT) (anni '90), evoluta nella Radioterapia con modulazione di intensit? (IMRT) e nella Tomoterapia. Sono da menzionare le tecniche Image-Guided e Adaptive Radiotherapy, in cui il trattamento si adatta alle variazioni morfologiche (es. riduzione di peso del paziente o graduale riduzione del volume tumorale) e ai movimenti (esempio tipico ? il "Respiratory Gating").
L'adroterapia con protoni e ioni carbonio, infine, comporta enormi vantaggi in termini di ricoprimento omogeneo del volume tumorale, con una capacit? di risparmiare i tessuti sani senza precedenti.
Ad oggi una frontiera poco esplorata ? quella del frazionamento temporale della dose: la radioterapia convenzionale con elettroni e fotoni, anche nelle moderne versioni ultraconformazionali, si basa sul paradigma del frazionamento della dose: si ritiene cio? che bassi ratei di dose (0.01-0.05 Gy/s) somministrati a 2-3 Gy/seduta per 10-30 sedute, permettono al tessuto sano un adeguato recupero.
Contraddicendo radicalmente questo approccio, uno studio del 2014 (doi: 10.1126/scitranslmed.3008973) ha mostrato in vivo che ratei di dose estremi (> 40 Gy/s), applicati in un'unica seduta da frazioni di secondo, possono risparmiare enormemente i tessuti sani rispetto all'approccio frazionato standard. Altri studi (doi: 10.1016/j.clon.2019.04.001) hanno confermato queste ipotesi in vivo su animali.
La comunit? scientifica e le imprese del settore oncologico si sono subito impegnate nello sviluppo di questa nuova tecnica, chiamata "FLASH therapy". Fino ad ora tali sviluppi si sono concentrati in particolare sull'uso degli elettroni di energia inferiore ai 15 MeV.
I fasci FLASH sono pulsati con impulsi di durata dei microsecondi, frequenze di ripetizione fino a decine di Hertz e dosi per impulso dal Gy alle decine di Gy. All'interno dell'impulso il rateo di dose istantaneo ha valori senza precedenti dell'ordine del MGy/s (Mega Gray per impulso).
Queste intensit? comportano enormi sfide per la radiobiologia ma anche per la dosimetria.
Le caratteristiche di un dosimetro per radioterapia sono:
1. essere "puntiforme", cio? avere le minori dimensioni possibile, affinch? la distribuzione energetica e direzionale del campo radiante nel mezzo sia lo stesso in presenza o in assenza di dosimetro. I dosimetri in uso hanno dimensioni tipiche di pochi millimetri;
2. risposta indipendente dal rateo di dose (linearit?);
3. risposta indipendente dalla distribuzione direzionale del fascio (isotropia);
4. risposta indipendente dall'energia del fascio (dipendenza energetica).
Per la radioterapia convenzionale esistono molteplici modelli commerciali di dosimetri, basati sulle tre tecniche classiche di rivelazione delle radiazioni ionizzanti: camere a ionizzazione (esempio: https://www.sunnuclear.com/products), scintillatori e semiconduttori (esempi https://www.standardimaging.com/products/exradin), tutti disponibili in dimensioni inferiori al centimetro (punto 1).
Tali sistemi operano linearmente (punto 2.) ai ratei richiesti dalla radioterapia convenzionale (frazioni di Gy/s) ed hanno generalmente risposta isotropica (punto 3.). La risposta energetica (punto 4.) ? normalmente il punto pi? cruciale, in quanto i materiali dosimetrici non sono "equivalenti al tessuto". Gli scintillatori plastici sono i migliori sotto questo punto di vista.
Quando il rateo di dose passa dalle frazioni di Gy/s (terapie convenzionali) al MGy/s (radioterapia flash), le tecniche dosimetriche tradizionali falliscono nel pi? basilare ed importante dei requisiti, la linearit?. Infatti, gli enormi ratei modificano pesantemente sia i meccanismi che producono il segnale, sia la struttura interna del rivelatore. In molti casi queste modifiche strutturali e cristalline sono di natura permanente e portano ad un degrado irreversibile del dosimetro. I sistemi tradizionali di dosimetria per elettroni come camere a ionizzazione Markus, diodi, diamanti e scintillatori / fibre scintillanti cessano di essere lineari a dosi per impulso inferiori a 1 Gy/pulse (doi: 10.3389/fphy.2020.570697).
La presente invenzione offre un dosimetro che consente misure di dose con prestazioni lineari a valori di dose per impulso da frazioni di Gy/pulse fino ad almeno 30 Gy/pulse mantenendo una semplicit? di realizzazione che non necessit? di processi costosi.
Sommario dell'invenzione
L?invenzione consiste in un dosimetro per per particelle cariche e raggi gamma, in grado di operare linearmente quando esposto a fasci sia continui che pulsati, ad intensit? di dose instantanea da 0.001 MGy/s a 10 MGy/s. Il dosimetro trova applicazione nell'ambito della dosimetria delle particelle cariche e raggi gamma, in particolare la radioterapia a rateo ultra-elevato (flashradiotherapy) ed i trattamenti di sterilizzazione industriale. L?invenzione consiste inoltre in un metodo di utilizzo di detto dosimetro.
Breve descrizione delle Figure
La Figura 1 ? una rappresentazione schematica del dosimetro dell?invenzione nella sua forma di realizzazione cilindrica.
La Figura 2 ? una rappresentazione schematica del dosimetro dell?invenzione nella sua forma di realizzazione sferica.
La Figura 3 ? un grafico che mostra la linearit? della risposta del dosimetro, in termini di dose per impulso, durante il suo funzionamento, quando esposto ad un fascio pulsato di elettroni da 9 MeV (unit?: Gy/impulso sia in asse X che in asse Y).
Descrizione dettagliata dell?invenzione
Ai fini della presente invenzione valgono le seguenti definizioni:
Per "dosimetro" si intende un trasduttore in grado di fornire, quando esposto ad un fascio di radiazioni ionizzanti, un segnale elettrico proporzionale alla dose assorbita in un determinato mezzo di interesse, come ad esempio l'acqua. La definizione di dose assorbita ? data nella pubblicazione ICRU Report 85a (2011).
Per "radioterapia flash" si intende la radioterapia in cui i fasci di radiazioni ionizzanti raggiungono il paziente con ratei di dose superiori a 40 Gy/s.
Per "particelle cariche secondare" si intendono particelle cariche diffuse dall?interazione del fascio di radiazione primaria con i materiali componenti il dosimetro. Dette particelle cariche secondarie hanno in generale distribuzione direzionale diversa ed energia inferiore dal fascio di radiazione primaria. In particolare, quando il fascio primario ? composto da elettroni, le particelle cariche secondarie sono prevalentemente elettroni.
Per "spessore massico (misurato in g?cm<-2>)" di uno strato di materiale si intende il prodotto dello spessore (in cm) e della densit? (in g?cm<-3>).
Per "range" delle particelle cariche ionizzanti (come gli elettroni, i protoni o gli ioni carbonio) si intende la distanza che dette particelle cariche possono attraversare in un certo materiale prima di venire assorbite dal materiale stesso.
Per "corrente di buio" di un dosimetro si intende la corrente da esso prodotta quando non esposto a radiazioni.
"MeV" o Megaelectronvolt ? usato in questo testo per quantificare l'energia cinetica delle particelle elementari.
"MeV/u" o Megaelectronvolt per unit? di massa atomica ? usato in questo testo per quantificare l'energia cinetica delle particelle elementari divisa per la loro massa misurata in unit? di massa atomiche.
Il dosimetro secondo la presente invenzione comprende un sensore ed un sistema di lettura. Il sistema di lettura pu? essere un comune nano-amperometro eventualmente accoppiato ad un digitalizzatore.
Il sensore assume la forma tipica di Figura 1 o Figura 2.
Per una migliore comprensione del funzionamento, si pensi che il dosimetro ? formato da un anodo ed un catodo metalllici separati da un sottile strato di materiale isolante e resistente alle radiazioni, detto strato isolante essendo di spessore inferiore al range delle particelle cariche secondarie, ma sufficientemente spesso da garantire isolamento elettrico e da limitare la corrente di buio a valori trascurabili rispetto ai valori attesi in presenza del campo radiante.
L?anodo 1 ? un corpo metallico avente massa molto superiore a quella del catodo 3 e preferibilmente numero atomico superiore a quello del catodo 3. Il catodo 3 ? tipicamente un sottilissimo rivestimento metallico posto esternamente allo strato di materiale isolante 2 con l'unico scopo di raccogliere la carica proveniente dall'anodo.
Si immagini un irraggiamento radioterapico con fasci di elettroni fra 6 e 15 MeV: interagendo con il materiale del dosimetro, il fascio di elettroni verr? diffuso, cio? perturbato nella distribuzione energetica e nella direzione di propagazione. Sia l'anodo che il catodo agiranno come centri di diffusione per gli elettroni.
Vi saranno in media, ogni secondo, un certo numero di elettroni diffusi dall'anodo 1 che attraversano il materiale isolante 2 dall?interno verso l?esterno e raggiungono il catodo 3, ed un certo numero di elettroni diffusi dal catodo 3 che attraversano l'isolante 2 e raggiungono l'anodo 1. La differenza fra i due flussi di elettroni secondari equivale alla corrente prodotta dal rivelatore (segnale utile) ed ? registrata dal nano-amperometro. Se i due flussi fossero identici il segnale elettrico sarebbe nullo. Ma nel caso del dosimetro dell?invenzione, l'anodo 1 ha massa molto superiore a quella del catodo 3 e numero atomico superiore a quello del catodo 3. Quindi, quando esposto ad un campo di elettroni di energia tale che gli elettroni secondari possano attraversare lo spessore dell'isolante 2, lo sbilanciamento di carica produce un segnale elettrico. Tale segnale, raccolto con un cavo coassiale 5 come in Fig.1, ? di polarit? positiva.
L'anodo 1 pu? essere realizzato in un qualsiasi metallo, preferibilmente ad elevato numero atomico, in modo da massimizzare il numero di particelle cariche secondarie da esso prodotte durante il funzionamento. A tale scopo sono adatti tungsteno, renio, rodio, molibdeno, piombo, bismuto ed Oro,
In una realizzazione preferita, il catodo 3 ? costituito da un sottilissimo rivestimento in un metallo conduttivo a basso numero atomico, come l'alluminio, per minimizzare il numero di particelle cariche secondarie da esso prodotte durante il funzionamento.
Mentre l'anodo 1 assume preferibilmente la forma di un solido compatto, il catodo 3 assume preferibilmente la forma di un rivestimento sottile che sia distribuito in modo spazialmente uniforme attorno all'anodo 1, ed abbia massa molto inferiore a quella dell'anodo 1.
La combinazione delle caratteristiche sopra descritte relativamente al catodo 3 e all?anodo 1 consente di ottenere un dosimetro per radioterapia flash che superi i problemi riscontrati con i dispositivi dello stato dell?arte.In una realizzazione preferita dell?invenzione, l?anodo 3 ha una forma sostanzialmente sferica per offire risposta isotropica, come richiesto nelle citate "caratteristiche di un dosimetro per radioterapia" (caratteristica numero 3).
Il diametro varia da 1 mm ad 1 cm, per essere dimensionalmente compatibile con le citate "caratteristiche di un dosimetro per radioterapia" (caratteristica numero 1).
In una variante, la forma dell?anodo 3 ? cilindrica di diametro e lunghezza comprese fra 1 mm e 1 cm, per essere dimensionalmente compatibile con le citate "caratteristiche di un dosimetro per radioterapia" (caratteristica numero 1).
La versione sferica offre il notevole vantaggio di fornire una risposta isotropica, cio? indipendente dalla direzione di incidenza della radiazione primaria.
E' inoltre fondamentale che l'ingombro del dosimetro sia inferiore al centimetro, per essere dimensionalmente compatibile con le citate "caratteristiche di un dosimetro per radioterapia" (caratteristica numero 1).
Un dosimetro con ingombro significativamente superiore, come ad esempio un cilindro di diametro 5 mm e lunghezza 30 mm, non sarebbe idoneo ad operare come dosimetro in radioterapia, in quanto perturberebbe troppo il campo radiante.
L'isolante 2 deve avere le seguenti caratteristiche:
- spessore calcolato in base allo spettro degli elettroni secondari: per elettroni da 7-9 MeV sono adeguati spessori massici da 0.001 a 0.5 g cm<-2>
- resistente all'irraggiamento fino a diverse centinaia di kGy, come, a titolo di esempio, i vetri resistenti alle radiazioni (www.schott.com), le ceramiche in carburo di silicio o le plastiche resistenti alla rediazioni come il polietere etere chetone (PEEK) o la poliimmide.
La dosimetria in radioterapia ? necessaria nelle seguenti fasi:
- misura delle distribuzioni di dose in fantocci ad acqua, in sede di installazione dei macchinari e prove di accettazione
- misura routinarie per determinare le dosi di riferimento, verificare la ripetibilit? del fascio e la correttezza dei TPS (treatment planning systems)
- verifiche "in vivo", ove il dosimetro viene esposto sul paziente per verificare le dosi di "ingresso" e "uscita" e compararle con quelle simulate dal TPS.
Il dosimetro della presente invenzione comprende quindi:
- Un anodo 1 costituito da un corpo metallico attorno al quale ? posto uno strato di materiale isolante 2, detto isolante 2 atto ad isolare elettricamente pur consentendo il passaggio delle particelle cariche secondarie generate nell'anodo 1 al passaggio della radiazione incidente; - Un catodo 3 in forma di rivestimento metallico di detto strato di materiale isolante 2, detto catodo 3 avente massa molto inferiore a quella dell'anodo 1;
- Un cavo coassiale 5 comprendente un elemento conduttore centrale interno collegato all'anodo 1 e un elemento conduttore esterno collegato con il catodo 3, detto cavo coassiale essendo atto a trasportare la corrente prodotta dal dosimetro fino ad un sistema di lettura.
In una variante l?invenzione comprende inoltre un secondo strato di materiale isolante 4 posto esternamente al catodo 3. La funzione di detto secondo strato 4 ? quella di garantire la maneggevolezza del dosimetro stesso e di non contaminare o rovinare il catodo 3.
Come sopra accennato, l?anodo 1 ? costituito da un corpo metallico la cui forma pu? essere qualsiasi, preferibilmente sferica o cilindrica. Nel caso della geometria sferica il diametro dell'anodo pu? variare da 1 a 10 mm. Nel caso della geometria cilindrica il diametro e la lunghezza possono variare fra 1 e 10 mm.
Generalmente, l?anodo 1 ? costituito da un corpo solido pieno in quanto garantisce una prestazione pi? efficiente rispetto ad un corpo cavo che per? potrebbe comunque soddisfare i requisiti di funzionamento prefissati.
Lo strato di materiale isolante 2 ? sufficientemente spesso da garantire l'isolamento di natura elettrica e limitare la corrente di buio, ma allo stesso tempo sufficientemente sottile da permettere l?attraversamento dello strato stesso da parte delle particelle cariche secondarie. Se si considerano ad esempio elettroni da 7 MeV, il range di tali elettroni in vetro ? circa 4 g cm<-2>. Pertanto, lo strato di materiale isolante 2 potrebbe variare fra 0.001 g cm<-2 >e 0.5 g cm<-2>. Spessori inferiori a 0.001 g cm<-2 >non garantirebbero un buon isolamento elettrico ed aumenterebbero troppo la corrente di buio. Spessori superiori a 0.5 g cm<-2 >degraderebbero troppo il campo di elettroni secondari rendendo troppo piccola, quindi non misurabile, la corrente del dosimetro.
Il catodo 3 ? costituito da uno strato metallico posto esteriormente all?isolante 2. In una realizzazione dell?invenzione, il catodo 3 ? realizzato mediante una deposizione micrometrica di oro, argento, uno spray conduttivo al rame o un film micrometrico di alluminio, risultando quindi in un rivestimento metallico di spessore compreso tra 0.01 e 50 micrometri. In altre parole, il catodo 3 consiste in un rivestimento metallico di spessore compreso tra 0.01 e 50 micrometri.
Non ? necessario che anodo 1 e catodo 3 siano realizzati con lo stesso materiale metallico. E' per? raccomandabile che l'anodo 1 abbia massa molto superiore al catodo 3 e sia realizzato in un materiale con numero atomico superiore a quello del catodo 3, per enfatizzare la differenza fra i rispettivi flussi di particelle cariche secondarie. Un esempio pratico ? un anodo in tungsteno ed un catodo in alluminio, con l'anodo avente massa molto superiore a quella del catodo.
Sia in presenza di un secondo strato di materiale isolante 4 che in sua assenza, l?invenzione prevede un cavo coassiale 5 il cui conduttore centrale interno sia collegato all'anodo 1 e il cui conduttore esterno sia collegato con il catodo 3, detto cavo coassiale ? atto a trasportare la corrente prodotta dal dosimetro fino al sistema di lettura del segnale 6 in cui detta corrente viene misurata.
Il sistema di lettura 6 pu? essere realizzato mediante sistemi commerciali come, ad esempio, un nano-amperometro 7 eventualmente accoppiato ad un digitalizzatore 8.
Il dosimetro pu? essere fornito separatamente dal sistema di lettura, come sensore a s? stante, o combinato con il sistema di lettura a formare un prodotto pronto all?uso.
Ad ogni modo, per poter essere utilizzato, il complesso formato dal dosimetro e dal sistema di lettura deve essere tarato presso un idoneo centro di taratura, cio? esposto a fasci di particelle cariche o raggi gamma che siano molto ben conosciuti a priori in termini di energia, struttura temporale, dose e rateo di dose, e la lettura del dosimetro deve essere messa in relazione alla dose fornita durante questo processo. Il risultato della taratura ? un coefficiente di taratura che fornisce il valore di dose per unit? di lettura del dosimetro, al variare dell'energia del fascio particelle cariche o raggi gamma (curva di taratura).
Tipicamente, il metodo di utilizzo del dosimetro secondo la presente invenzione comprende le seguenti fasi principali:
a. Disporre del dosimetro secondo la presente invenzione e connettere il cavo coassiale 5 con un sistema di lettura del segnale generato;
b. Sottoporre il dosimetro ad irraggiamento di taratura con una pluralit? di fasci di particelle cariche o raggi gamma di cui sono noti a priori energia, distribuzione angolare, struttura temporale, dose e rateo di dose;
c. Ottenere curve di taratura proprie del dosimetro in uso sulla base di informazioni e dati raccolti al passaggio b, dette curve includendo la dipendenza del coefficiente di taratura dall'energia, dall'angolo di incidenza delle particelle cariche o raggi gamma, e dal rateo di dose;
d. Sottoporre il dosimetro ad irraggiamento con fascio di particelle cariche o raggi gamma, con una determinata energia e registrare, mediante il sistema di lettura 6, il segnale generato dal dosimetro in un certo intervallo di tempo;
e. Ottenere il valore di dose misurata nell?intervallo di tempo di cui al passaggio precedente facendo uso delle curve di taratura ottenute al passaggio c.
Il funzionamento del dosimetro secondo la presente invenzione consente di effettuare misure di dose durante irraggiamenti con particelle cariche o radiazione gamma.
Nello specifico, ? possibile utilizzare elettroni nell?intervallo di energia da 0.5 MeV a 50 MeV; raggi gamma nell?intervallo di energia da 0.5 MeV a 50 MeV; ioni carbonio nell?intervallo di energia da 10 a 500 MeV/u ; protoni nell?intervallo di energia da 10 MeV a 250 MeV.
Esempi
Il funzionamento del dosimetro ? dimostrato dal grafico di linearit? di Figura 3, ottenuto irraggiando un dosimetro secondo la presente invenzione con un fascio di elettroni da 9 MeV e impulsi di durata pari a 4 microsecondi ciascuno. In ordinata ? mostrata la dose misurata per impulso espressa in Gy/impulso (anche nota come UCD measured dose per pulse); mentre in ascisse ? mostrata la dose per impulso somministrata, sempre espressa in Gy/impulso) Il sistema di lettura impiegato si compone di un nano-amperometro campionato con un digitalizzatore commerciale da 2 MSamples/s.
Le misure riportate in Figura 3 sono state eseguite nell?intervallo 0.8-30 Gy/pulse e mostrano una linearit? perfetta, nettamente superiore ai sistemi citati come facenti parte dello stato dell?arte.
Claims (10)
1. Dosimetro per particelle cariche e raggi gamma comprendente:
- Un anodo (1) costituito da un corpo metallico attorno al quale ? posto uno strato di materiale isolante (2), detto isolante (2) atto ad isolare elettricamente e limitare la corrente di buio, pur consentendo il passaggio delle particelle cariche secondarie generate nell'anodo (1) al passaggio della radiazione incidente;
- Un catodo (3) in forma di rivestimento metallico di detto strato di materiale isolante (2), detto catodo (3) avente massa molto inferiore a quella dell'anodo (1);
- Un cavo coassiale (5) comprendente un elemento conduttore centrale interno collegato all'anodo (1) e un elemento conduttore esterno collegato con il catodo (3), detto cavo coassiale essendo atto a trasportare la corrente prodotta dal dosimetro fino ad un sistema di lettura.
2. Dosimetro secondo la rivendicazione precedente, ulteriormente comprendente un secondo strato di materiale isolante (4) posto esternamente al catodo (3).
3. Dosimetro secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui l?anodo (1) ? costituito da un corpo metallico di forma cilindrica.
4. Dosimetro secondo una delle rivendicazioni 1 o 2, in cui l?anodo (1) ? costituito da un corpo metallico di forma sferica.
5. Dosimetro secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui l?anodo (1) ? costituito da un corpo solido pieno.
6. Dosimetro secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui l?anodo (1) ? caratterizzato da dimensioni principali comprese tra 1 mm e 10 mm.
7. Dosimetro secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui lo spessore massico dello strato isolante (2) ? compreso tra 0.001 g cm<-2 >e 0.5 g cm<-2>.
8. Dosimetro secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui il catodo (3) ? costituito da uno strato metallico posto esteriormente all?isolante (2).
9. Dosimetro secondo la rivendicazione precedente, in cui il catodo (3) ? un rivestimento metallico di spessore compreso tra 0.01 e 50 micrometri.
10. Metodo di utilizzo del dosimetro secondo la presente invenzione comprendente le seguenti fasi principali:
a. Disporre del dosimetro secondo la presente invenzione e connettere il cavo coassiale 5 con un sistema di lettura del segnale generato;
b. Sottoporre il dosimetro ad irraggiamento di taratura con una pluralit? di fasci di particelle cariche o raggi gamma di cui sono noti a priori energia, distribuzione angolare, struttura temporale, dose e rateo di dose;
c. Ottenere curve di taratura proprie del dosimetro in uso sulla base di informazioni e dati raccolti al passaggio b, dette curve includendo la dipendenza del coefficiente di taratura dall'energia, dall'angolo di incidenza e dal rateo di dose;
d. Sottoporre il dosimetro ad irraggiamento con fascio di particelle cariche o raggi gamma con una determinata energia e registrare, mediante il sistema di lettura 6, il segnale generato dal dosimetro in un certo intervallo di tempo;
e. Ottenere il valore di dose misurata nell?intervallo di tempo di cui al passaggio precedente facendo uso delle curve di taratura ottenute al passaggio c.
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