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Fisica Applicata

La Commissione V dell'INFN, spesso anche intesa come la 'Commissione tecnologica' è quella componente dell'Istituto che si occupa delle attività tecnologiche e multidisciplinari.

Essa comprende tutte le attività che riguardano la fisica degli acceleratori, lo sviluppo di nuovi rivelatori e la fisica multisciplinare in senso ampio (applicazioni della fisica alla medicina, al calcolo computazionale, alla fisica dello spazio, alla fisica dei beni ambientali e culturali, etc.).

Tutte le attività della Commissione V sono consultabili al link ufficiale.

Presso i Laboratori Nazionali del Sud, la Commissione V conta un totale di circa 50 FTE (Full Time Equivalent). Le attività attive spaziano dallo studio e sviluppo di nuove tecniche di accelerazioni (LPA2), di nuove e innovative sorgenti per ioni e loro diagnostica (IONS), di nuovi rivelatori (MEDIPIX4, PRAGUE), alla fisica medica (NEPTUNE, ISOLPHARM, AIM, MICROBE), alla fisica computazionale (MC-INFN).

Di seguito la lista (in ordine alfabetico) dei progetti attualmente attivi, con una breve descrizione e il corrispondente link alla pagina web ufficiale.


AIM

Progetto AIM (Artificial Intelligence in Medicine)

Resp Locale: Dr Giorgio Russo

Sito web: https://www.pi.infn.it/aim

Nell'ambito del progetto AIM dell'INFN CSN5, l'IBFM è impegnato nel gruppo di lavoro dell'analisi di immagini di tomografia computerizzata (TC) per l'identificazione e quantificazione di regioni polmonari affette da COVID-19. In particolare il team composto da ricercatori dell'IBFM, del Ri.MED di Palermo e del Georgia Institute of Technology di Atlanta ha implementato e adattato allo scopo preposto, una rete di deep learning chiamata Efficient Neural Network (ENet), creata inizialmente per le auto a guida autonoma.
Tale rete è stata presentata al COVID-19 LUNG CT LESION SEGMENTATION CHALLENGE (COVID-19-20), organizzato dalla Medical Image Computing and Computer Assisted Intervention Society. Si è trattato di una sfida internazionale per lo sviluppo di algoritmi di intelligenza artificiale per la segmentazione e la quantificazione delle lesioni polmonari causate dall'infezione da SARS-CoV-2 da immagini TC multicentrico, multinazionali e provenienti da pazienti di età, sesso e gravità variabile della malattia. Il comitato della challenge ha valutato le performance degli algoritmi confrontando i risultati con il gold standard. L'algoritmo proposto dal nostro gruppo si è classificato primo in Italia.


IONS

ION Source development @ INFN

Resp Locale: Ing. L. Celona e Dr. G. Castro

Sito web:

Il progetto IONS propone un programma di ricerca e sviluppo finalizzato al miglioramento delle performance delle sorgenti ECR di ioni positivi attraverso la conoscenza e il controllo dei parametri di plasma.
L'obiettivo è quello di sviluppare strumenti atti alla modifica della EEDF al fine di incrementare la produzione dello stato di carica desiderato minimizzando il ripple e lemittanza di fascio.
In particolare prevede di:

  • sviluppare una diagnostica di fascio atta a valutare come le proprietà del fascio siano influenzate dai parametri di plasma;
  • minimizzare i flussi di perdita nella camera di ionizzazione, testando diversi metodi attivi (camera multi segmentata) e passivi (ricopertura delle pareti) in grado di modificare attivamente la EEDF;
  • sviluppare la spettroscopia ottica (OES) come strumento di diagnostica per valutare la EEDF in maniera non invasiva;
  • concepire, realizzare e testare un sistema di heating a radiofrequenza selettiva degli ioni (ICRH) che permetta di modificare la distribuzione degli stati di carica (CSD) perturbando la ionizzazione ed i processi di ricombinazione o causando delle perdite ad uno ione con un determinato stato di carica.


ISOLPHARM

ISOLPHARM

Resp Locale: Dr. Giorgio Russo

Sito web: https://isolpharm.pd.infn.it/web/?page_id=967

ISOLPHARM è un Progetto multidisciplinare con lo scopo di sviluppare sia un nuovo metodo di produzione di radionuclidi ad elevata purezza, basato sulla separazione in volo, che di sviluppare una nuova generazione di radiofarmaci. Come una delle applicazioni del progetto SPES, ISOLPHARM esplorerà l'impiego di fascio di ioni radioattivi prodotti nel futuro impianto ISOL SPES dei Laboratori Nazionali di Legnaro dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare.
La biodistribuzione del nuovo radio tracciante marcato con 68Ga o 64Cu sarà studiata su modelli murini usando la microPET/CT istallata presso l'Università di Catania. Gli esami saranno svolti in collaborazione con il gruppo di ricercatori della sede di Cefalù dell'IBFM CNR. La quantificazione della captazione del radiotracciante sarà effettuata impiegando metodi semi automatici sviluppati dal team dell'IBFM-CNR di Cefalù.


LPA2

Laser Driven Proton Acceleration Applications (LPA2)

Resp Locale: Dr. GAP Cirrone

Sito web:

Scopo del progetto LPA2 (Laser Driven Proton Acceleration Applications) è lo svolgimento della prima misura di radiobiologia con fasci di protoni prodotti da interazione laser-materia presso la facility sita all'INO presso il CNR (Pisa, Italia). Il progetto consta di quattro tasks dedicati all'ottimizzazione della procedura di selezione e focalizzazione dei fasci di protoni di bassa energia (WP1), alla realizazione di un adeguato sistema dosimetrico per fasci pulsati ad altissimi ratei di dose (WP2) e allo quantificazione del danno biologico indotto su campioni cellulari in-vitro (WP3).


MC-INFN

MC-INFN

Resp Nazionale: Dr. G.A.P. Cirrone

Resp Locale: Dr. L. Pandola

Sito web: http://mc-infn.lns.infn.it

Il progetto MC-INFN racchiude, al momento, tutte le attività di computing e modelling presenti all'interno della Commissione V. In particolare esso è oggi costituito da due diversi gruppi: il gruppo di sviluppatori Italiani di FLUKA e quello di Geant4.
Le attività del progetto sono quindi principalmente legate allo sviluppo dei due codici e, conseguentemente, l'attività ha una connessione strettissima ed è intimamente integrata con quelle portate avanti all'interno delle rispettive collaborazioni internazionali.
Dettagli delle attività condotte dentro MC-INFN possono essere trovate all'interno del sito web e della pagina Facebook, quest'ultima dedicata specificatamente alle attività di disseminazione.


MEDIPIX4

MEDIPIX4

Resp Locale: Dr. S. Tudisco

Sito web:

Il progetto MEDIPIX4 INFN ha come scopo l'utilizzo della famiglia di circuiti integrati per applicazioni specifiche (ASIC) sviluppata dalla Collaborazione Medipix4 al CERN. Suddetta tecnologia consentirà di sviluppare sistemi di rivelazione con prestazioni ben oltre lo stato dell'arte. Saranno sviluppati strumenti hardware e software per utilizzare questa tecnologia all'avanguardia in una vasta gamma di applicazioni, insieme alle corrispondenti competenze, e saranno messi a disposizione della comunità INFN, con impatto su molti campi di ricerca come i raggi X e l'imaging di particelle e raggi gamma.


MICROBE

Microdosimetry-based assessment of Biological Effectiveness in Ion Therapy - MICROBE_IT

Resp Locale:

Sito web:

L'uso di particelle cariche, adroni, (come protoni e ioni di carbonio) in radioterapia (RT) rappresenta una strategia più efficiente rispetto alla RT convenzionale (basata sull'utilizzo di fotoni) per il trattamento delle patologie neoplastiche. Tale efficienza è dovuta alle proprietà fisiche degli adroni che consentono di raggiungere una più precisa distribuzione della dose sui loro targets così da minimizzare la dose rilasciata ai tessuti confinanti con quello tumorale. Al contrario, la RT convenzionale è spesso associata a effetti collaterali dannosi che coinvolgono il tessuto sano che circonda il tumore perché la distribuzione della dose è meno controllabile.
Sebbene i risultati clinici riguardanti l'uso degli adroni in radioterapia siano incoraggianti, esistono tuttavia dei fattori di incertezza legati al calcolo esatto della distribuzione spazio-temporale di energia, e quindi di dose, delle particelle cariche sul loro bersaglio.
Una delle questioni chiave è comprendere il legame esistente tra l'energia depositata dalle radiazioni e la loro efficacia biologica relativa (RBE).
La dose fisica dipende dalla qualità della radiazione ionizzante (tipo di particella e suo trasferimento lineare di energia, LET) mentre l'RBE da parametri fisici e biologici che caratterizzano il target irraggiato. Dose, LET e RBE rappresentano gli elementi principali nella definizione di un trattamento radioterapico e le loro stime, se errate, possono portare sia al sottodosaggio del tumore che al sovradosaggio del tessuto normale. Da essi, pertanto, dipende il successo del piano di trattamento.
In questo contesto, il progetto Microdosimetry-based assessment of Biological Effectiveness in Ion Therapy (MICROBE_IT) è finalizzato allo sviluppo di un modello cinetico-stocastico basato su una caratterizzazione microdosimetrica della qualità della radiazione, così da prevederne gli effetti in termini di sopravvivenza cellulare e quindi l'RBE. Tale modello si basa sia sulle fluttuazioni stocastiche dell'energia fornita al target che sulla cinetica di inattivazione cellulare, che portano entrambe all'effetto biologico finale.
Il progetto richiederà l'attività di gruppi di ricerca appartenenti all'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) e al Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR), che si occuperanno di: microdosimetria, modellizzazione mediante software di sopravvivenza cellulare indotta da radiazioni ionizzanti, caratterizzazione della sopravvivenza cellulare mediante esperimenti radiobiologici in-vitro. Il modello sviluppato, inoltre, prenderà in considerazione la risposta cellulare alla radiazione sia in modalità singola (acuta) che frazionata (split-dose) per descrivere la dipendenza temporale dell'RBE.
La morte delle cellule tumorali indotta dalla radiazione ionizzante è principalmente causata dal danno al DNA. Possiamo classificare il danno al DNA in rotture a singolo filamento (note anche come Single Strand Breaks - SSB) e rotture di entrambi i filamenti della doppia elica (Double Strand Breaks - DSB). Entrambi i tipi di danno innescano una risposta biologica mirata alla loro riparazione, la "DNA Damage Response" (DDR). Mentre gli SSB possono essere facilmente riparati, i DSB di solito non sono riparabili e sono responsabili dei fenomeni di morte cellulare acuta. Il danno al DNA può rilevato mediante l'analisi dell'espressione di proteine coinvolte nella DDR, mediante una tecnica chiamata Western Blotting. Le simulazioni basate sull'ausilio di software rappresentano strumenti validi per prevedere l'impatto della RT sulla materia vivente, tuttavia, i modelli di previsione dovrebbero essere corroborati mediante l'ausilio di esperimenti biologici. Su queste basi, il gruppo di ricerca dell'Istituto di Bioimmagini e Fisiologia Molecolare del Consiglio Nazionale delle Ricerche (IBFM-CNR), con sede a Cefalù, sarà coinvolto nella caratterizzazione biologica dei DSBs del DNA causati dal trattamento sia con protoni che con ioni carbonio su una linea cellulare epiteliale non tumorale mammaria, la linea MCF10A. L'approccio sperimentale in-vitro valuterà, da un lato, gli effetti dell'irraggiamento in termini di sopravvivenza cellulare mediante saggio clonogenico; dall'altro, indagherà l'espressione di proteine coinvolte nella risposta al danno al DNA (DDR) mediante Western Blotting.


NEPTUNE

NEPTUNE: Nuclear Process Driven Enhancement of proton therapy unrelieved

Resp Nazionale e Locale: Dr. G. Cuttone

Sito web: https://sites.google.com/view/medicalphysicsgroup-infnlns/activities/research/neptune-project

NEPTUNE è una call finanziata dalla CSNV per il triennio 2019-2021. Scopo del progetto è lo studio delle reazioni nucleari p-11B e p-19F per applicazioni in protonterapia clinica. Entrambe le reazioni verranno studiate dal punto di vista radiobiologico e micorodosimetrico cosicché da stabilire e quantificare l'eventuale incremento nel danno radiobiologico dovuto all'innescarsi delle reazioni sul sito tumorale. Entrambe, infatti, portano all'emissione di particelle α ad alto LET e corto range. I danneggiamenti indotti su scala nanometrica alle cellule del DNA verranno, inoltre, modellizzate mediante codici Monte Carlo. Infine, innovative tecniche di imaging e quantificazione verrano adottate per stimare l'ammontare di atomi di 11B e 19F all'interno delle cellule.


PRAGUE

PRAGUE: Proton Range Measure Using Silicon Carbide

Resp Nazionale e Locale: Dr.ssa G. Petringa

Sito web: https://sites.google.com/view/medicalphysicsgroup-infnlns/activities/research/prague-project

Il progetto PRAGUE (Proton Range measure using silicon carbide) ha come scopo il design, la realizzazione e la caratterizzazione di un nuovo dosimetro relativo basato su rivelatori a stato solido. Il dispositivo sarà composto da sessanta rivelatori a Carburo di Silicio posti in configurazione a stack cosicché da poter ricostruire le distribuzioni di dose in profondità ottenute con fasci di protoni incidenti aventi energie da 60 a 150 MeV. Il dispositivo sarà in grado di operare sia in regime di fascio continuo, tipicamente disponibili nei centri di protonterapia, sia in regime di fascio pulsato, tipici dell'accelerazione laser-driven. Attualmente il progetto è stato finanziato dal programma Marie Sklodowska-Curie Actions Individual Fellowship (MSCA-IF).

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