Introduzione
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dalle direttive ministeriali sui requisiti di accreditamento (250.000
individui per ciascun acceleratore lineare);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
Introduzione
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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 lineare,
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.
Principi di funzionamento e tecnologia dell’acceleratore
lineare
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1. Principi di funzionamento e tecnologia
dell’acceleratore lineare
1.1 L’acceleratore lineare e la radioterapia
L’acceleratore lineare 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 “dose-
effetto”, consente di ottenere la selettività balistica necessaria,ovvero la
Principi di funzionamento e tecnologia dell’acceleratore
lineare
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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:
ξ 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;
ξ 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.
Principi di funzionamento e tecnologia dell’acceleratore
lineare
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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:
ξ la stanza di trattamento;
ξ la stanza dei comandi;
ξ 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.
Principi di funzionamento e tecnologia dell’acceleratore
lineare
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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.
Principi di funzionamento e tecnologia dell’acceleratore
lineare
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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.
Principi di funzionamento e tecnologia dell’acceleratore
lineare
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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:
ξ Sistema di iniezione;
ξ Sistema di generazione della potenza a RF;
ξ Guida acceleratrice;
ξ Sistema di trasporto del fascio elettronico;
ξ Sistema di collimazione e monitoraggio del fascio;
ξ Sistema ausiliario.
Figura 1.4 Schema di un acceleratore isocentrico.
Principi di funzionamento e tecnologia dell’acceleratore
lineare
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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:
ξ 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.
ξ 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.
ξ un elemento metallico perforato, detto anodo, viene messo a
terra.
ξ 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
Principi di funzionamento e tecnologia dell’acceleratore
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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:
ξ una sorgente di radiofrequenza;
ξ un modulatore di impulsi.
La sorgente di radiofrequenza può essere un magnetron o un klystron.
Entrambi sono strumenti che utilizzano l’accelerazione e la
Principi di funzionamento e tecnologia dell’acceleratore
lineare
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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 lineare 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.
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