Dosimetria e radiobiologia con fasci di elettroni relativistici accelerati mediante laser
Acceleratori di elettroni basati sul meccanismo cosiddetto laser Wake-Field Acceleration (LWFA) in un plasma meritano una crescente attenzione, soprattutto per la loro intrinseca ingombro ridotto rispetto al LINAC convenzionali. Questa caratteristica è di particolare importanza in vista di possibili applicazioni in medicina, e in particolare per la radioterapia.
Come è noto, il processo LWFA basa fondamentalmente l’eccitazione, a causa della forza ponderomotrice, di un’onda di plasma a seguito di un impulso laser ultracorti e ultraintensi moltiplicazione in un plasma underdense. Tale onda plasma presenta le caratteristiche giuste per sostenere l’accelerazione degli elettroni fino a energie relativistiche, come un campo molto intenso longitudinale elettrica (molti ordini di grandezza superiore a quella di un tipico radiofrequenza cavità LINAC) e una velocità di fase vicino alla velocità di luce.
Negli ultimi anni, acceleratori di elettroni-driven laser sono stati notevolmente evoluzione, in termini, per esempio, di stabilità e affidabilità di funzionamento, in modo che il loro possibile utilizzo per la radioterapia, come, ad esempio, Intra-Operative Electron Radiation Therapy (IOERT ), può essere previsto entro il prossimo decennio. Infatti, la produzione stabile di elettroni grappoli con energie fino a decine o centinaia di MeV hanno dimostrato di essere facilmente realizzabile, rappresentando quindi una nuova opzione per le applicazioni di radioterapia. Da un punto di vista pratico, acceleratori di elettroni-driven laser avrebbero mostrano una ricchezza di vantaggi rispetto a quelli convenzionali in termini di requisiti di radioprotezione e la flessibilità. Per esempio, l’uso di un acceleratore-driven laser per IOERT consentirebbe un dispositivo molto più piccolo da introdurre in sala operatoria, come il componente più ingombrante, il sistema laser, può essere collocato e monitorata esterno, lasciando solo the“accelerator fase ”, pochi centimetri di dimensione, vicino al paziente.
Un acceleratore di elettroni-driven laser offre una durata di elettroni gruppo molto più piccolo di un acceleratore convenzionale. Infatti, mentre la durata di pochi fino a poche decine di femtosecondi sono stati riportati per i grappoli in uscita dall’impianto di plasma, una durata mazzo di alcuni picosecondi può tranquillamente stimare / calcolato alla posizione del campione biologico o paziente (cioè , dopo poche decine di centimetri propagazione e possibilmente un’interfaccia vuoto aria); questo valore è ancora circa sei ordini di grandezza superiore a quella di un LINAC tipico utilizzato in radioterapia. Prendendo in considerazione la carica tipica grappolo nei due casi (che è più o meno paragonabili), si può facilmente comprendere che un dosaggio molto superiore istantanea viene effettivamente ottenute, le cui conseguenze biologica devono essere analizzati in profondità ancora.
Ulteriori differenze di un acceleratore azionato laser rispetto ad un convenzionale basano nello spettro energetico ampio (quando nessun regimi iniezione avanzati sono implementati, come nel caso tipico di un provvisoriamente “ facile da usare ” acceleratore per la medicina ) e una divergenza superiore. Tutti questi temi domanda di accurati studi relativi sia alla dosimetrici e le questioni biologiche di un acceleratore-driven laser.
Una attività di ricerca, con finanziamenti del Ministero italiano della Salute, è in corso, basata presso l’Istituto Nazionale di Ottica – CNR di Pisa e coinvolge un gran collaborazione del CNR (INO, IFC, IBFM, NANO) e AOUP-Pisa, mirava a:
– Ottimizzare un acceleratore-driven laser (LDA) per le diverse applicazioni di radioterapia / radiobiologia
– Caratterizzante, in termini di spettro di energia degli elettroni, carica totale, elettrone mazzo divergenza, la dose disponibile e così via, ADL
– Stabilire e raggiungere i requisiti tecnici per le applicazioni efficaci in medicina
– Studio degli effetti di LDA grappoli di elettroni su cellule biologiche e confrontando i risultati con gli effetti di grappoli prodotti da convenzionale, linac basato RF
Schema di principio di un acceleratore laser per una terapia IORT: il fascio laser, generato all'esterno della sala operatoria, puo' essere trasportato fino allo stadio di accelerazione di dimensioni di pochi centimetri posto vicino al paziente
In senso antiorario, dall'alto: spettro elettronico non elaborato selezionato per gli esperimenti di radiobiologia; spettro ricostruito; schema del setup impiegato per gli esperimenti di radiobiologia