Università Roma Tre

● Introduzione generale alla radioterapia.
○ Razionale fisico e biologico delle radiazioni ionizzanti nei trattamenti oncologici.
○ Curva dose-effetto, TCP, NTCP ed indice terapeutico.
○ Istogrammi dose-volume. Selettività fisica e biologica.
● Panoramica introduttiva delle tecniche radioterapiche (dai raggi-x ai fasci di ioni):
○ Radioterapia con fotoni: convenzionale, conformazionale, IMRT. Brachiterapia.
○ Radioterapia con fasci di ioni: l’adroterapia.
■ Cenni sulle Facility (attive ed in fase di sviluppo) e diffusione nel mondo.
● Classificazione delle radiazioni ionizzanti: il problema della scelta del tipo di radiazione
per applicazioni terapeutiche
○ Definizione delle quantità fisiche e radiobiologiche rilevanti.
○ Selettività fisica:
■ Radiazione direttamente e indirettamente ionizzante
■ Radiazione a basso-LET e alto-LET. Il picco di Bragg.
■ Esempi per indirettamente ionizzante: fotoni, neutroni; direttamente
ionizzante: elettroni, positroni, ioni.
○ Selettività biologica:
■ Radiazione scarsamente ionizzante ed altamente ionizzante. Il concetto
di traccia ed aspetti micro/nano-dosimetrici.
■ Relazione tra LET ed “efficacia biologica”
● Aspetti fisici dell’adroterapia: interazione dei fasci di ioni con la materia.
○ Stopping Power
■ Classificazione dello stopping power.
■ Derivazione delle equazioni dello stopping power (approcci di Bohr, Bethe
e Bloch, fattori correttivi)
■ Il potenziale di eccitazione medio. Miscele.
○ Perdita di energia e “range straggling”.
■ Approssimazioni CSDA
■ Teoria di Landau-Vavilov
○ Allargamento laterale dei fasci
■ Multiple scattering. Interazioni Coulombiane con i nuclei target. Equazioni
di Bothe e Moliere.
○ Interazioni nucleari e frammentazione
■ Approcci modellistici: modelli INC e QMD.
■ Frammentazione del target e frammentazione del proiettile
■ La “coda dei frammenti” e miscele di ioni.
● Approfondimento: la PET in-beam
● Aspetti radiobiologici.
○ Basi di radiobiologia
■ Scale spaziali e temporali dei processi radiobiologici.
■ Oncogenesi.
■ Sopravvivenza cellulare: definizione, processi di danno (diretto ed
indiretto), meccanismi di riparazione. Ipossia. Mutazioni e trasformazioni.
■ Esperimenti clonogenici e modello L-Q.
■ Effetti temporali e frazionamento.
● Approfondimento: l’effetto FLASH
○ Effetti radiobiologici dei fasci di ioni
■ L’efficacia biologica relativa (RBE): definizione, sistematica, complessità
ed aspetti fisici.
■ l’Oxygen Enhancement Ratio (OER).
● Modellizzazione fisica e radiobiologica per fasci di ioni nelle applicazioni cliniche
○ Richiamo ai concetti di traccia e clusterizzazione del danno.
○ Il “Local Effect Model” (LEM)
○ Equazioni cinetiche per il danno e riparo cellulare. Aspetti radio-chimici.
○ Modelli microdosimetrici
■ Basi matematiche della microdosimetria. Aspetti stocastici.
■ Il “Microdosimetric-Kinetic model” (MKM)
● Approfondimento: approcci MKM avanzati: Monte Carlo, effetti
temporali (FLASH effect), OER, Mutazioni.
○ Modelli TCP/NTCP
■ Approfondimento: modelli per valutare il rischio di tumori secondari.
● “Dose Delivery” e “Dose Shaping”
○ Classificazione dei sistemi di accelerazione dei fasci di ioni e tipologie di facility
■ Sincrotroni, ciclotroni e Laser-driven.
○ Aspetti generali delle misure di dose, in-beam monitoring, e radioprotezione.
○ Aspetti generali della modulazione del rilascio di dose in 3D.
■ Lo Spread-Out Bragg Peak (SOBP).
■ Il gantry system.
■ Sistemi di dose-shaping passivi (3D Range Modulator)
■ Sistemi a scansione attiva (raster scan e modulazione di energia)
● Simulazione ed ottimizzazione dei piani di trattamento: il “Treatment Planning System”
○ Descrizione generale del TPS e delle procedure di pianificazione
■ Acquisizione di immagini (CT), segmentazione, prescrizione e definizione
dei vincoli dose-volume, inverse planning, calcolo DVH.
○ Simulazioni Monte Carlo per il calcolo della dose
■ Aspetti generali del tracciamento delle particelle.
■ Uso della CT per la modellizzazione del paziente ed identificazione della
composizione elementale dei tessuti.
■ Sistemi di riduzione della varianza
○ Algoritmi pencil-beam e approssimazione WEPL per il calcolo veloce della dose.
○ Dettagli sull’“inverse planning”
■ Decomposizione in pencil beam e gradi di libertà
■ Esempi di algoritmi di ottimizzazione
○ Ottimizzazione radiobiologica
■ Metodi di integrazione dei modelli radiobiologici nei calcoli TPS con
RBE-weighted dose (RWD). Approcci pre-mixing e post-mixing.
■ Esempi: calcoli distribuzione RWD con LEM e MKM.
● Attività pratica e Hand-on: esercitazioni esemplificative con l’utilizzo di codici
open-source per calcoli radiobiologici e simulazione di trattamenti.
○ Download ed installazione dei codici: Topas, Survival e R-Planit.
○ Esercizi simulazioni Monte Carlo (codice: Topas/Geant4)
■ Valutazione della distribuzione di dose dose rilasciata da un fascio di ioni
in un paziente virtuale.
■ Valutazione degli spettri microdosimetrici in un nucleo cellulare per
interazione con ioni.
○ Esercizi simulazioni radiobiologiche (codice: Survival)
■ Calcolo della probabilità di sopravvivenza cellulare per un campione di
cellule irraggiato con fasci di ioni con il modello MKM o LEM.
○ Esercizio di pianificazione di un piano di trattamento (codice: R-Planit)
■ Calcolo ed ottimizzazione di un trattamento a partire dalla CT di un
paziente virtuale e dalla prescrizione clinica data.
■ Calcolo dei DVH del piano ottimizzato.
○ (Approfondimento: combinazione dei risultati degli esercizi precedenti per la
valutazione della distribuzione dell’RWD nel paziente trattato.

● Podgoršak, E. B. (2016). Graduate Texts in Physics: Radiation Physics for Medical
Physicists.
● Hobbie, R. K., Roth, B. J. (2007). Intermediate physics for medicine and biology.
Germany: Springer New York.
● M. Joiner & A. van der Kogel (eds.) (2009). Basic Clinical Radiobiology. Edward Arnold.
● Paganetti, H. (ed.) (2012). Proton Therapy Physics. CRC Press.
● MA, C.-M. C., & Lomax, T. (eds.) (2013). Proton and Carbon Ion Therapy. CRC Press