Caratterizzazione di dosimetri a termoluminescenza per applicazioni dosimetriche in radioterapia intraoperatoria

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INTRODUZIONE 
 
L’utilizzo delle radiazioni ionizzanti nel trattamento dei tumori è da ritenersi ormai una 
pratica comune. In quest’ambito, la radioterapia convenzionale è quella a fasci esterni o 
transcutanea: il fascio di radiazioni ionizzanti, generato da un apposito apparecchio posto 
esternamente e non a contatto col paziente, è focalizzato sul volume tumorale da trattare, 
evitando quanto più possibile di colpire i tessuti sani limitrofi. Tuttavia, anche le tecniche 
radioterapiche transcutanee più sofisticate sono affette da limiti intrinseci, in quanto i tessuti 
sani circostanti al tumore vengono comunque esposti anch’essi alle radiazioni; inoltre, a meno 
che il tumore non sia superficiale, le radiazioni ionizzanti devono inevitabilmente passare 
attraverso la cute e aree anatomiche sane per arrivare al volume neoplastico in profondità, 
risultando così non solo attenuate e meno efficaci ma anche dannose per i tessuti sani 
attraversati; infine, il frazionamento della dose in più sedute può rendere inefficace il 
trattamento perché permette alle cellule tumorali di avviare, tra una dose e l’altra, i 
meccanismi di ripopolamento e di riparazione dei danni molecolari. 
Tra le tecniche radioterapiche più avanzate che consentono di irradiare selettivamente i tessuti 
neoplastici con alte dosi di radiazioni, riducendo quindi al minimo gli effetti collaterali nei 
tessuti sani limitrofi, un ruolo di grande importanza spetta alla Radioterapia Intraoperatoria 
(IORT), una nuova tecnica radioterapica che consiste nella somministrazione in frazione 
singola di una dose elevata di radiazioni ionizzanti al tumore esposto nel corso dell’intervento 
chirurgico, quindi libero dalla sovrapposizione dei tessuti sani. 
La radioterapia intraoperatoria è un interessante modello di integrazione terapeutica tra 
chirurgia e radioterapia che permette di incrementare l’indice terapeutico tra controllo locale 
del tumore e tolleranza dei tessuti sani circostanti, potendo contare su una migliore 
definizione del volume bersaglio grazie alla visione diretta durante l’operazione e sulla 
possibilità di proteggere i tessuti sani schermandoli o spostandoli dalla traiettoria del fascio 
radiante in fase chirurgica. Ciò permette di impiegare elevati livelli di dose altrimenti non 
utilizzabili nella radioterapia convenzionale a fasci esterni. Inoltre, la somministrazione della 
dose elevata in una sola seduta elimina l’intervallo di tempo che in genere c’è tra operazione 
chirurgica e successiva radioterapia e che, consentendo la ricrescita neoplastica e la 
riparazione dei danni molecolari a carico delle cellule tumorali, può inficiare la buona riuscita 
del trattamento radioterapico.
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Molti aspetti della radioterapia intraoperatoria devono ancora essere approfonditi e 
standardizzati; uno dei più critici riguarda la determinazione della dose realmente erogata sul 
volume irradiato, poiché essa non sempre risulta prevedibile, a causa della complessità e della 
variabilità dei parametri in gioco in questa particolare metodica. Un valido aiuto potrebbe 
risiedere nella dosimetria in vivo, la quale consentirebbe non solo di verificare l’accuratezza e 
l’uniformità della dose effettivamente somministrata al volume bersaglio, ma anche di 
determinare la dose diretta su tessuti e organi critici. Tuttavia, la scarsità di riferimenti 
bibliografici reperibili in letteratura evidenzia come, fino ad ora, l’impiego della dosimetria in 
vivo nei trattamenti IORT sia stato molto limitato, a differenza di quanto avviene nella 
radioterapia a fasci esterni. Ciò a causa di diverse difficoltà tecniche, che richiedono 
determinazioni dosimetriche particolari e talvolta differenti rispetto a quelle necessarie per 
l’esecuzione dei trattamenti radioterapici convenzionali. I problemi principali sono legati alla 
scelta di dosimetri idonei in termini di precisione, risposta in tempo reale, bassa perturbazione 
del campo, indipendenza direzionale, nonché affidabilità delle misurazioni in una zona critica, 
come il letto chirurgico, dove è necessario garantire la sterilizzazione. 
Il presente lavoro di tesi si inserisce nell’ambito di un progetto di ricerca, avviato nel 
Dipartimento di Fisica dell’Università “Federico II” di Napoli in seguito ad una proposta di 
collaborazione da parte del Dipartimento di Diagnostica per Immagini e Radioterapia della 
“Federico II”, riguardante l’utilizzo di dosimetri a termoluminescenza (TLD) per misure 
dosimetriche in vivo in trattamenti di radioterapia intraoperatoria.  
Il progetto nasce dalla necessità di affrontare e risolvere alcune problematiche, evidenziate 
nell’esecuzione dei trattamenti IORT, legate al tradizionale utilizzo dei rivelatori MOSFET 
per la dosimetria in vivo: questi ultimi, oltre ad essere molto costosi e dal lifetime limitato, 
perturbano il campo a causa dei necessari cavi di alimentazione e possono sfuggire dal letto 
operatorio. In quest’ambito, la possibilità di utilizzare congiuntamente uno o più TLD 
garantirebbe un controllo a posteriori della lettura effettuata dal MOSFET, una “memoria” 
della dose rilasciata al paziente durante l’intervento, nonché un backup nel malaugurato caso 
di disfunzione dei MOSFET. 
La popolarità dei TLD in dosimetria è dovuta principalmente alla comodità e alla convenienza 
del loro utilizzo, dal momento che hanno dimensioni ridotte, non necessitano di alimentazioni 
esterne e sono riutilizzabili più volte se sottoposti ad un’opportuna procedura di azzeramento 
che li riporta nelle condizioni di pre-irraggiamento.
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Alla luce dell’obiettivo del progetto di ricerca, il candidato ha utilizzato una particolare 
tipologia di TLD, commercializzata dalla Harshaw Chemical Company con il nome di 
TLD100, universalmente riconosciuta come la migliore per applicazioni dosimetriche in 
radioterapia grazie alla proprietà di “tessuto-equivalenza”, che rende il comportamento del 
TLD100 equivalente a quello del tessuto umano rispetto alle radiazioni ionizzanti. 
Al fine di verificare se i TLD possano adempiere agli incarichi individuati nel progetto di 
ricerca, il lavoro di tesi è stato strutturato in tre livelli: 
i. in una prima fase, il candidato ha eseguito un’approfondita caratterizzazione 
del gruppo campione di TLD100, in termini sia di linearità della risposta di 
termoluminescenza nel range di dosi di interesse nella IORT, sia di ripetibilità 
e riproducibilità dei risultati delle misurazioni, utilizzando come sorgente di 
radiazioni ionizzanti la macchina a raggi X presente nel Dipartimento di Fisica 
dell’Università “Federico II” di Napoli; 
ii. in una seconda fase, il candidato ha studiato la ripetibilità e la riproducibilità 
dei risultati forniti dai TLD100 utilizzando come sorgente di radiazioni 
ionizzanti l’acceleratore lineare PRIMUS, installato presso il Reparto di 
Diagnostica per Immagini e Radioterapia dell’omonimo Dipartimento 
dell’Università “Federico II” di Napoli e correntemente utilizzato per la 
radioterapia transcutanea; 
iii. in una terza fase, il candidato ha eseguito un’esauriente caratterizzazione 
dell’intero lotto di TLD100 disponibile in laboratorio utilizzando l’acceleratore 
lineare di elettroni NOVAC7, installato presso il Reparto di Diagnostica per 
Immagini e Radioterapia dell’omonimo Dipartimento dell’Università 
“Federico II” di Napoli e dedicato esclusivamente alla IORT. 
Nel primo capitolo, dopo una breve introduzione alla fisica della termoluminescenza e alla 
teoria che ne è alla base, sono indicate le proprietà generali dei dosimetri a 
termoluminescenza, con particolare riferimento ai TLD100, evidenziando le caratteristiche di 
questi ultimi che li rendono la migliore soluzione dosimetrica nell’ambito radioterapico. 
Nel secondo capitolo vengono descritte le caratteristiche dei particolari materiali e metodi 
sperimentali impiegati nel presente lavoro di tesi: le proprietà fisico-chimiche dei TLD100, le 
metodologie connesse al loro utilizzo, i sistemi di lettura e di azzeramento con le relative 
procedure, i vari macchinari sperimentali.
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Nel terzo capitolo vengono esposte le procedure sperimentali seguite nelle varie fasi del 
presente lavoro di tesi con i relativi risultati. 
Infine, sono state riportate le conclusioni, insieme ai possibili sviluppi futuri del progetto in 
questione.
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1. INTRODUZIONE ALLA RADIOTERAPIA 
 
La radioterapia è una disciplina medica che consiste nell’utilizzo di radiazioni ionizzanti per 
distruggere le cellule tumorali. Tale obiettivo è perseguito attraverso la somministrazione di 
una dose ben determinata di radiazioni ad un volume tumorale definito, risparmiando quanto 
più possibile dall’irradiazione i tessuti sani circostanti.  
Oggigiorno la radioterapia rappresenta un efficace strumento per la cura dei tumori, sia essa 
impiegata da sola, sia in associazione ad altri trattamenti (come la chirurgia e la 
chemioterapia). A seconda delle caratteristiche del tumore e delle condizioni cliniche del 
paziente, la radioterapia può avere intento curativo, palliativo o adiuvante prima o dopo un 
intervento operatorio. 
 
1.1 Radiazioni utilizzate in radioterapia 
Le radiazioni ionizzanti sono caratterizzate dal possedere un’energia sufficiente (> 33 eV) per 
provocare la ionizzazione della materia irradiata, in genere mediante allontanamento di un 
elettrone orbitale. Il passaggio della radiazione, sia essa elettromagnetica o corpuscolare, 
produce quindi degli ioni che modificano la struttura della materia in cui si trovano. Nella 
fattispecie, la materia è costituita da cellule, il cui funzionamento può essere compromesso 
fino alla loro eventuale distruzione.  
Il danno subito dal materiale dipende sostanzialmente dal tipo di radiazione e dalla sua 
energia. 
Le radiazioni ionizzanti comunemente utilizzate in radioterapia sono i raggi X e gli elettroni 
ad alta energia. 
1.1.1 Raggi X 
Il fascio di raggi X interagisce con la materia fondamentalmente attraverso tre fenomeni fisici: 
effetto fotoelettrico, diffusione e produzione di coppie. Tali interazioni causano l’attenuazione 
dell’intensità della radiazione X, cioè la diminuzione del numero di fotoni costituenti il fascio. 
L’attenuazione dei raggi X che si verifica quando una radiazione attraversa uno spessore x di 
materia è descritta dalla ben nota legge dell’assorbimento [1]: 
                                                        (1) 
 
x
e I x I
 

0
10 
 
in cui μ è chiamato coefficiente di attenuazione lineare (espresso in cm
-1
) ed è funzione 
dell’energia del fotone, della densità e del numero atomico del mezzo attraversato.  
Il coefficiente di attenuazione lineare deve intendersi come somma dei coefficienti di 
attenuazione legati ai tre tipi di interazione (effetto fotoelettrico, diffusione e produzione di 
coppie), il cui valore è proporzionale alle diverse probabilità di accadimento delle tre 
tipologie di processo. 
L’effetto fotoelettrico si verifica quando un fotone X di energia opportuna (maggiore 
dell’energia di legame dell’elettrone colpito e minore di 100 keV) urta un elettrone delle 
orbite più interne dell’atomo bersaglio, trasferendo ad esso tutta la sua energia e venendo, 
quindi, completamente assorbito dal mezzo. L’elettrone generato può interagire con la materia 
nella modalità descritta di seguito nel caso dell’elettrone Compton. 
La diffusione del fotone X consiste nel suo assorbimento da parte di un atomo del mezzo e 
successiva remissione di un altro fotone in direzione generalmente diversa. A seconda se il 
fotone riemesso ha o meno la stessa energia di quello incidente si definiscono due tipologie di 
diffusione, rispettivamente diffusione coerente e incoerente. Mentre la prima è trascurabile in 
quanto si verifica ad energie molto basse (< 30 keV), la seconda, più nota come effetto 
Compton, è il fenomeno dominante nel caso di fotoni ad alta energia utilizzati in radioterapia 
(dalle centinaia di keV fino a pochi MeV) e causa la generazione di elettroni secondari; questi 
possono a loro volta interagire con la materia mediante scattering coulombiano, venendo 
rallentati fino ad avere energia talmente bassa da poter essere assorbiti. 
Nella produzione di coppie, un fotone cede tutta la sua energia alla materia trasformandosi in 
un elettrone ed un positrone. L’assorbimento per produzione di coppie è un processo a soglia: 
poiché l’energia a riposo dell’elettrone e del positrone è uguale a 0.511 MeV , esso è 
energeticamente possibile solo se il fotone incidente ha un’energia almeno pari a 1.022 MeV . 
Entrambe le particelle cariche generate interagiscono a loro volta con la materia: l’elettrone 
con le stesse modalità descritte nei casi precedenti, mentre il positrone va incontro ad 
annichilazione. 
I raggi X sono definiti radiazioni indirettamente ionizzanti, dal momento che il processo di 
deposizione dell’energia nella materia si compone di due fasi: i fotoni X trasferiscono prima 
la loro energia alle particelle cariche del mezzo e sono queste ultime che, attraverso le 
interazioni coulombiane,  rilasciano l’energia nella materia.  
Gli elettroni secondari generati, a causa dei numerosi eventi di scattering, seguono traiettorie 
sparse e tortuose, durante le quali, se presentano ancora energia sufficiente, possono