Tecnologia ''MAGLEV'' e guide laser ''intelligenti'' nelle prospettive future della radioterapia con particelle accelerate (adroterapia)

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I Raggi Roentgen nella Storia. 
Fu  la  sera  di  martedì  8  Novembre  1895  
che  la  Storia  cambiò  il corso degli eventi 
della Fisica e della Medicina. Nel suo piccolo 
e buio laboratorio domestico, il Prof. Konrad 
Wilhelm Roentgen, Docente di Fisica  
all’Università di Wurzburg, in Germania, 
accese un Tubo di Cookes (una sorta di 
antesignano tubo al neon, alimentato da un 
rocchetto di Rumkhoff); con sua grande 
sorpresa Roentgen vide una piastra di 
Platicianuro di Bario, dimenticata su una 
mensola a poca distanza dal tubo, illuminarsi 
d’una luce verde-violetto.  
Il fenomeno smetteva allo spegnersi del tubo. 
Provò allora ad anteporre – tra il tubo e la 
piastra - diversi oggetti di diverso volume, ma 
il fenomeno si ripeteva. Provò infine ad 
anteporre la sua mano e con suo grande 
sbigottimento vide proiettarsi sulla piastra lo 
scheletro della mano stessa. 
 
 
 
 
Anche se non se ne rendeva ancora conto, il 
Professore aveva scoperto la nascita di una 
nuova scienza: la Radiologia. 
Non sapendone definire la natura, chiamò 
quella “strana” luce verdognola Raggi X, ad 
indicarne l’origine ignota ed oscura – per le 
conoscenze scientifiche del momento – anche 
in linea con il suo carattere riservato e 
tenebroso. In effetti, della sua scoperta non 
fece menzione con alcuno sino al 23 Gennaio 
1896, data in cui la presentò ufficialmente alla 
storica seduta della Physikalisch-
Medizinische Gesellschaft di Wurzburg. In 
quell’occasione, l’ottantenne decano 
accademico Prof. A. von  Koelliker propose 
di chiamare “Raggi Roentgen” quella luce 
“misteriosa”, in onore al suo scopritore.  
 
 
 
 
INTRODUZIONE 
 
ALL’ALBA DI UNA NUOVA ERA 
Fig. 1:  Konrad Roentgen
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Nel 1901 al Prof. Roentgen venne assegnato il 
primo Premio Nobel per la Fisica della Storia. 
Attorno agli anni 20 del Secolo scorso, di pari 
passo con le scoperte  della Biologia 
molecolare, cominciarono ufficialmente le 
prime sperimentazioni dei Raggi X su neo-
formazioni, soprattutto cutanee.  
In tal senso è nota l’applicazione – avvenuta 
proprio in quegli anni – di Raggi X emessi da 
un tubo radiogeno (Fig. 2) per curare un nevo 
a cellule neviche epiteliali, con estesa 
formazione di pelo, sulla schiena di una 
bambina di circa 10 anni. 
In seguito alla somministrazione di un’alta 
dose di Raggi X – che ai tempi non era 
possibile quantificare – l’estesa formazione di 
pelo cadde, il nevo fu distrutto ma si formò 
(come logica conseguenza) una vasta ustione 
e probabili danni ematici e linfatici da 
radiazioni che portò ben presto alla morte 
della bambina per leucemia. 
 
 
 
 
 
Molti anni sono passati da allora. Il 
Ventesimo Secolo ha apportato un’evoluzione 
tecnologica sia nella Radiodiagnostica, sia 
nella Radioterapia seguendo lo sviluppo di 
tutte le altre scienze mediche e biologiche. 
Si è così passati – in pochi decenni - dai tubi 
radiogeni per la cosiddetta Roentgenterapia 
(alcuni dei quali, necessariamente evoluti, 
sono tutt’oggi ancora in esercizio presso 
alcuni reparti di Radioterapia per le terapie 
antalgiche), alle macchine per cobaltoterapia 
ed agli acceleratori lineari dei moderni 
trattamenti radioterapici. 
Parallelamente anche la diagnostica ha subìto, 
nello stesso periodo, una forte spinta 
evolutiva tecnologica, che ha preso avvio dal 
tomografo di Vallebona e che trova oggi la 
massima espressione nelle moderne macchine 
generatrici di immagini (TAC ed RMN), 
strumenti oggi indispensabili alla stessa 
radioterapia. 
 
 
 
Fig. 2: Il tubo radiogeno 
Fig. 3: Radiografia convenzionale del torace in AP.
Ieri….
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I princìpi fisici della Radioterapia 
Quando le radiazioni di energia superiore ad 
una certa soglia colpiscono i tessuti biologici, 
provocano in essi una serie di fenomeni di 
carattere chimico-fisico-biologico, tra loro 
concatenati, in cui il fenomeno iniziale (cioè il 
danno a livello dell’atomo causato dalla 
radiazione) può tradursi nel danno alla  
 
 
 
 
molecola di H
2
O, alla molecola 
biologicamente importante, all’organulo 
cellulare, alla cellula, al tessuto, sino a 
coinvolgere l’intero organismo – sia in senso 
patologico che in senso terapeutico – nelle sue 
funzioni e nella stessa sopravvivenza.  
Le interazioni fondamentali delle radiazioni 
con la materia organica sono: 
- l’eccitazione; 
- la ionizzazione; 
- la fluorescenza; 
- l’effetto Auger. 
I primi due comportano assorbimento di 
energia, gli altri due emissione di energia. 
Le fasi dei processi d’interazione tra 
radiazione e materia sono sintetizzati nella 
tabella della pagina seguente. 
 
 
 
 
 
 
Fig. 4: …..e oggi 
Fig. 5: Radiografia 3D dello scheletro
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Modalità di radioterapia. 
 
La radioterapia può essere realizzata con 
modalità tra loro molto diverse. Distinguiamo 
sostanzialmente la radioterapia a fasci esterni 
collimati e la brachi-curieterapia. 
Quest’ultima viene realizzata con 
radiosorgenti  β e/o γ emittenti sigillate e può 
essere endocavitaria, interstiziale, di contatto; 
oppure con radiosorgenti non sigillate β e/o γ 
emittenti per radioterapia endocavitaria e per 
terapia radio-metabolica.  
La brachi-curieterapia è indicata per 
somministrare localmente un’alta dose letale 
ad un definito volume bersaglio molto 
piccolo, per salvaguardare organi critici 
circostanti. Ad es. vengono impiegati semi di 
iridio e samario per curare localmente i 
tumori della prostata e della vescica 
nell’uomo, dell’endometrio nella donna e 
composti di  
125
I  e  
131
I per le neoplasie 
follicolari a carico della tiroide.      
 
 
 
 
 
                     
La radioterapia a fasci esterni collimati  viene 
realizzata con macchine  generatrici di Raggi 
X di potenze variabili. 
Plesio-roentgenterapia o terapia di contatto. Si 
realizzava con un tubo radiogeno di 10-50 
KV
p
, 5-8mA il cui anodo di tipo Chaoul è 
quasi a contatto con la neoplasia. La DFP era 
data dall’altezza di un limitatore a tronco di 
cono in lega di ottone nichelato, la cui sezione 
minore appoggiava sulla cute (Fig. 7/a). 
 
FASE TEMPO EFFETTO  PRODOTTO 
   
Fisica 10
-13 
secondi Effetti elementari 
   
Fisicochimica 10
-9 
≤ T ≤ 10
-6 
Formazione radicali liberi e perossidi 
   
Biochimica da frazioni di 
sec. a 
settimane 
Inattivazione di enzimi e di organuli 
   
Biologica Giorni, mesi, 
anni 
Inattivazione, riparazione, morte cellulare e tissutale 
   
Clinica Giorni, mesi, 
anni 
Manifestazioni cliniche a carico dell’organismo 
Fig. 6: Radiografia in AP del bacino per il controllo 
del posizionamento di semi radioattivi
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Impiego: terapia radiante a bassa energia di 
tumori cutanei.  
Questa apparecchiatura non è quasi più in 
esercizio, per motivi di ordine 
prevalentemente protezionistico. E’ stata 
sostituita da apparecchiature piezoelettriche 
computerizzate di tipo “after loading” che, 
tramite apposito applicatore, “sparano” sul 
bersaglio (si tratta sempre di tumori cutanei, 
quali il basalioma, lo spinelioma ed il 
melanoma) una radiosorgente ad alta attività 
di solito α. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Roentgenterapia con ortovoltaggi. E’ ancora 
tuttoggi in esercizio in alcuni Reparti di 
Radioterapia oncologica per le terapie 
antalgiche. Viene realizzata con un tubo 
radiogeno a filtri Cu ed Al intercambiabili.  
 
Tensione di esercizio: 100 – 500 KV
p
, 
corrente alla spiralina catodica: 10mA      
(Fig. 8). 
 
Impiego: terapia radiante di medio-bassa 
energia di tumori superficiali, semiprofondi e 
metastasi ossee, specialmente vertebrali, di 
tumori a carico di vescica, prostata, 
endometrio. 
 
Tele Cobalto Terapia (TCT). E’ ancora 
tuttoggi in esercizio in molti Centri di 
Radioterapia oncologica. E’ realizzata con 
una macchina denominata THERATRON 780 
(v. Fig. 9 alla pagina seguente). 
 
 
 
 
Fig. 7/a 
Fig. 8
Fig. 7: Apparecchiatura 
 “after loading” per barchiterapia
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Caratteristiche: collimatore geometrico 
rettangolare e collimatore asimmetrico statici, 
testata in Piombo ed Uranio impoverito che 
racchiude un otturatore sferico all’interno del 
quale alloggia una sorgente di  
60
Co di attività 
iniziale di 5000 mCi che si dimezza in circa 2 
anni. Energia nominale: 1.33 MeV. 
Geometria di trattamento: movimenti lineari e 
circolari del lettino, sia sul piano orizzontale 
che in elevazione; rotazione della testata 
attorno alla posizione di isocentro; rotazione 
del collimatore. DFP = 800 mm. Riferimenti 
LASER triangolati per il corretto 
posizionamento e centramento del bersaglio 
nel sistema di riferimento dell’isocentro. 
Impiego: terapia di medio-alta energia di 
tumori semiprofondi, soprattutto a carico del 
capo-collo.             
 
 
Terapia di alta energia con elettroni. Si 
realizza con un acceleratore lineare (LINAC), 
una macchina acceleratrice isocentrica in cui 
gli elettroni vengono prima accelerati fino ad 
un’energia variabile da 4 a 25 MeV, poi 
estratti e convogliati sul bersaglio attraverso 
appositi collimatori. 
Geometria di trattamento: pressoché simile  e  
riconducibile  alla macchina per Tele Cobalto 
Terapia.  
Caratteristiche: DFP = 1000 mm, collimatore 
geometrico rettangolare esterno; produzione 
di un fascio di elettroni da parte di un 
oscillatore a risonanza MAGNETRON o 
KLYSTRON; gli elettroni vengono accelerati 
da un forte campo E all’interno delle gaps 
acceleratrici di un cannone elettronico; il 
mantenimento in traiettoria rettilinea è 
assicurato da un campo B ⊥ E ; la proiezione 
verso il collimatore avviene grazie a magneti 
deflettori con angolo: 
θ ≅  q / m 
 
Infine il fascio, così accelerato, viene 
focalizzato direttamente sull’isocentro. 
Impiego: terapia di alta energia di tumori 
cutanei e semiprofondi. Boost di irradiazione 
sulle ferite chirurgiche, nel follow-up post-
operatorio dei tumori mammari dopo il 
trattamento con fotoni. 
 
 
Fig. 9: Macchina per telecobaltoterapia 
THERATRON 780
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X – terapia di alta energia. 
 
Si realizza sempre con il LINAC; quando il 
fascio di elettroni proveniente dal tubo 
acceleratore urta contro una targhetta di 
tungsteno o di platino (target) si formano 
fotoni X di alta energia (fino a 25 MeV) per 
frenamento (bremsstrahlung). Al variare 
dell’energia – secondo le necessità 
terapeutiche prescritte dal piano di terapia – si 
regola il potere di penetrazione e quindi la 
dose da somministrare al volume bersaglio. 
 
                
Caratteristiche  e Geometria di trattamento:  
idem c.s. 
Impiego: terapia di alta energia di tumori 
profondi del torace, del capo-collo, 
dell’encefalo, della prostata e del retto. 
Irradiazione a corpo intero (TBI) con i 
relativi, necessari sussidi di immobilizzazione 
e posizionamento. 
 
Il  simulatore  isocentrico “classico” (o 
convenzionale) di  terapia. E’ a tutti gli effetti  
un  apparecchio radiologico convenzionale 
dotato di tutti i precisi movimenti della testata 
e del lettino tipici di un’unità di radioterapia. 
E’ dotato di due funzioni peculiari della 
radiodiagnostica: scopia raggi con tubo 
intensificatore di brillanza a persistenza e 
radiografia (v. Fig. 11 e 12) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 10: Posizionamento LASER di un volume 
bersaglio cranico 
Fig. 11
Fig. 12: Consolle del simulatore
isocentrico tipo OLDELF
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E’ essenzialmente costituito dai seguenti 
elementi: 
1) - gantry rotante sul quale sono montati il 
tubo radiogeno collimato e il tubo IB a 
persistenza;  
2) - un lettino radiotrasparente con tastiera di 
comando dei movimenti;  
3) - sorgenti LASER ortogonali per il corretto 
posizionamento del paziente;  
4) - consolle di comando;  
monitor;  
5) - generatore di Raggi X 
Il  collimatore ha due sistemi per registrare la 
distanza fuoco-pelle: uno meccanico ed uno 
ottico (telemetro). Sul monitor compare un 
reticolo che simula il campo radiante, la cui 
geometria può essere modificata dalla 
consolle di comando; sul paziente si 
osservano la DFP ed il campo luminoso con il 
reticolo che simula il campo radiante e che 
corrisponde a quello che compare 
radiologicamente.  
 
 
 
 
 
 
 
Sulla consolle di comando si leggono i 
seguenti valori: 
-  distanza fuoco-isocentro (mm); 
-  distanza lettino-isocentro (mm); 
- inclinazione del gantry (gradi, radianti o 
millesimi); 
-  dimensioni del reticolo (mm
2
). 
Il simulatore “virtuale” di terapia. 
Una nuova concezione della simulazione 
radioterapica è la cosiddetta CT-Sim. In 
questo caso la simulazione, completamente 
computerizzata, viene eseguita solo dopo 
l’esecuzione di una TAC SPIRALE ( o 
multislice); non è pertanto richiesta la 
presenza del paziente stesso. Da qui il termine 
“virtuale”. Durante la procedura, che non ha 
carattere diagnostico, viene eseguita 
l’acquisizione ed il centramento del volume 
bersaglio; con l’ausilio dei laser di 
posizionamento della TAC e di due laser 
esterni mobili, controllati dal sistema 
operativo, vengono individuati tre punti (che 
coincidono con precisi riferimenti anatomici, 
relativi alla posizione del tumore), che 
vengono “contrassegnati” da reperi radio 
opachi (ad es. pallini da caccia).  
 
 
 
 
Fig. 12/a: Il Simulatore virtuale
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I dati volumetrici così rilevati vengono quindi 
inviati al “simulatore virtuale”, un programma 
“dedicato” che determina automaticamente il 
GTV ed il PTV, con una ricostruzione in 3D e 
fornendo all’operatore la possibilità di 
modificare al computer tutti i parametri 
balistici disponibili (angoli di inclinazione del 
gantry e del collimatore, spostamenti lineari e 
quant’altro), personalizzando quindi il 
trattamento. La procedura è completata dai 
calcoli dosimetrici (U.M.) sulla base delle 
acquisizioni TAC. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 12/c: Simulazione “convenzionale”…. 
Fig. 12/d: ……e “virtuale” 
Fig. 12/b: Una consolle CT