Creazione di un database radiobiologico per un sistema di pianificazione di trattamento in adroterapia

Negli ultimi anni sono stati adottati diversi tipi di strategie per curare le patologie tumorali, e tra di questi, la radioterapia basata sull'utilizzo di ioni carbonio. Grazie alle maggiore selettività nella deposizione di dose caratteristica degli ioni (picco di Bragg) questo tipo di tecnica consente un irraggiamento più efficace del tumore rispetto alla terapia convenzionale basata sui raggi X. Analogamente al caso di utilizzo di raggi X, è necessario disporre di un sistema software, il Treatment Planning System (TPS), in grado di simulare e ottimizzare la distribuzione di dose a seconda del trattamento desiderato. Nel caso di sistemi con scansione attiva, nel trattamento si avrà la sovrapposizione di un grande numero di fasci elementari (10^4-10^5), e per ognuno se ne dovrà determinare l'energia, la fluenza e la direzione. Tutto il sistema dovrà inoltre valutare le condizioni di trattamento, in fase clinica, in un tempo ragionevole, nell'ordine della decina di minuti. Rispetto ai raggi X, nel caso di ioni carbonio sono presenti alcune complicazioni a causa dell'effetto di frammentazione, che comporta una grande complessità nel calcolo dell'efficacia biologica relativa (RBE). Una strategia per valutare in tempi ragionevoli un piano di trattamento è quella di creare un database radiobiologico che contenga tutte le informazioni relative all'RBE e ai parametri di sopravvivenza cellulare α, β in funzione dell'energia del fascio, delle coordinate x, y, z e della tipologia dei tessuti biologici. Il lavoro presentato in questa tesi sviluppato presso il Dipartimento di fisica sperimentale dell'Università di Torino è mirato alla costituzione di una prima struttura per la creazione del database e si colloca all'interno di un progetto dell'INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) per l'implementazione di un TPS per ioni carbonio con scansione attiva. La creazione dei dati che vengono inseriti del database è basata su due tipologie di simulazioni, una di tipo fisico utilizzando il pacchetto di simulazioni Monte Carlo Geant4 e la seconda di tipo radiobiologico. Quest'ultima tipologia è basata sul Local Effect Model, il cui codice originale è stato implementato in C++ dal gruppo presso cui è stato svolto questo lavoro, codice che è stato ulteriormente ottimizzato e esteso all'interno di questa tesi. In questo lavoro di tesi è stato creato un prototipo del database radiobiologico che verrà incluso nel TPS. A causa del grande tempo di calcolo richiesto è stata inoltre studiata, verificata e ottimizzata l'implementazione delle simulazioni su sistemi di calcolo distribuito GRID al fine di rendere accettabili i tempi necessari per la creazione della versione definitiva del database, che richiederà un uso massiccio di queste simulazioni. Il lavoro presentato è suddiviso nel seguente modo: - Capitolo 1: Trattazione del problema radiobiologico e introduzione all'adroterapia. - Capitolo 2: Descrizione generale del Treatment Planning System. - Capitolo 3: Descrizione nel dettaglio delle simulazioni fisiche. - Capitolo 4: Descrizione nel dettaglio delle simulazioni radiobiologiche. - Capitolo 5: Conclusioni del lavoro.