Sviluppo di un nuovo approccio per la quantificazione in tempo reale dell'attività dei radiofarmaci.

Nuclear medicine is a specialized branch of medicine that focuses on diagnosing and treating diseases in the fields of oncology, cardiology, and neurology. It involves administering a compound labeled with a gamma-ray-emitting or positron-emitting radionuclide into the body to obtain diagnostic images. These radionuclides are also used for therapeutic purposes. Two common nuclear medicine imaging modalities are Positron Emission Tomography (PET) and Single Photon Emission Computed Tomography (SPECT), which involve injecting a radio tracer into the patient to radiodetect specific diseases or conditions [1].PET imaging typically uses radiopharmaceuticals with short half-lives, which are preferably produced on site using cyclotron facilities and dedicated radiochemistry laboratories. However, the production process generates short-lived radioactive waste materials in the form of gas and liquid, which, if not controlled, can pose a threat to public health. Therefore, continuous monitoring of radioactive waste materials is essential for public safety[2]. As diagnostic imaging technologies and therapeutic perspectives continue to evolve and spread, and with the availability of increasingly targeted and effective radiopharmaceuticals, there is a growing need to ensure the safety of healthcare professionals and researchers who handle or administer radiopharmaceuticals on a daily basis. This has led to the development of systems that can synthesize, fractionate, or inject specific radiopharmaceuticals directly into patients in a completely automatic way, through a combined effort of engineering, physical, and medical-pharmaceutical knowledge. Some of these systems are fully automatic, while others are semi-automatic and operate inside shielded cells or are equipped with their own shielding. These systems minimize operator exposure to ionizing radiation and ensure high standards of precision, accuracy, and reproducibility in the handling processes of radiopharmaceuticals that are difficult to reach by manual operations. This PhD program is an industrial project conducted in collaboration with Catania University, National Institute for Nuclear Physics (INFN-LNS), Tema Sinergie company, and Hochschule Mannheim University of Applied Science, with a main focus on the development and calibration of a Radiation Detector for Industrial and Medical Research Applications. The research activities are divided into two parts. The first part involves the development and characterization of a multichannel analyzer coupled with a NaI(Tl) scintillator as part of an international project called SPEKTRO, in continuous collaboration with the team at Georadis company based in Brno, Czech Republic, for waste radioactive material monitoring. The second part focuses on the development of a new activity measurement system for use in radiopharmaceutical automatic dispenser systems. The first chapter of the thesis focuses on the theoretical background related to the research. The second chapter discusses the SPEKTRO project, which was conducted in Tema Sinergie company with the goal of developing a gamma detection system for use in radioactive waste management systems. In this project, the developed Multi Channel Analyzer (MCA) was tested in various environmental conditions, and the Energy and Efficiency calibration of the detection system was performed for all the geometries of radioactive waste management systems. The results of this study have been published in the Nuclear Science and Engineering journal[3]. The third chapter of the thesis pertains to the second phase of the PhD project, which involves the development of a real-time scintillation detector for use in an automatic dose dispenser.

La medicina nucleare è un ramo specializzato della medicina che si concentra sulla diagnosi e il trattamento delle malattie nei campi dell'oncologia, cardiologia e neurologia. Essa prevede l'amministrazione di un composto marcato con un radionuclide emettitore di raggi gamma o positroni nel corpo per ottenere immagini diagnostiche. Questi radionuclidi vengono utilizzati anche a scopo terapeutico. Due comuni modalità di imaging in medicina nucleare sono la Tomografia ad Emissione di Positroni (PET) e la Tomografia Computerizzata ad Emissione di Fotone Singolo (SPECT), che prevedono l'iniezione di un tracciante radioattivo nel paziente per la rilevazione radiologica di specifiche malattie o condizioni [1]. L'imaging PET utilizza tipicamente radiofarmaci con emivite breve, preferibilmente prodotti in loco utilizzando strutture per ciclotrone e laboratori dedicati di radiochimica. Tuttavia, il processo di produzione genera rifiuti radioattivi a breve durata di vita sotto forma di gas e liquidi, che, se non gestiti correttamente, possono costituire una minaccia per la salute pubblica. Pertanto, il monitoraggio continuo dei rifiuti radioattivi è essenziale per la sicurezza pubblica [2]. Con l'evoluzione e la diffusione delle tecnologie di imaging diagnostico e delle prospettive terapeutiche, e con la disponibilità di radiofarmaci sempre più mirati ed efficaci, c'è un crescente bisogno di garantire la sicurezza degli operatori sanitari e dei ricercatori che maneggiano o somministrano radiofarmaci su base quotidiana. Ciò ha portato allo sviluppo di sistemi in grado di sintetizzare, frazionare o iniettare specifici radiofarmaci direttamente ai pazienti in modo completamente automatico, attraverso un impegno congiunto di conoscenze ingegneristiche, fisiche e medico-farmaceutiche. Alcuni di questi sistemi sono completamente automatici, mentre altri sono semiautomatici e operano all'interno di celle schermate o sono dotati di propria schermatura. Questi sistemi minimizzano l'esposizione dell'operatore alle radiazioni ionizzanti e garantiscono elevati standard di precisione, accuratezza e riproducibilità nei processi di manipolazione di radiofarmaci difficilmente raggiungibili con operazioni manuali. Questo programma di dottorato è un progetto industriale condotto in collaborazione con l'Università di Catania, l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN-LNS), l'azienda Tema Sinergie e l'Università di Scienze Applicate di Hochschule Mannheim, con un focus principale sullo sviluppo e la calibrazione di un rilevatore di radiazioni per applicazioni industriali e di ricerca medica. Le attività di ricerca sono divise in due parti. La prima parte riguarda lo sviluppo e la caratterizzazione di un analizzatore multicanale accoppiato a uno scintillatore di NaI(Tl) nell'ambito di un progetto intern azionale chiamato SPEKTRO, in continua collaborazione con il team dell'azienda Georadis di Brno, Repubblica Ceca, per il monitoraggio dei rifiuti radioattivi. La seconda parte si concentra sullo sviluppo di un nuovo sistema di misurazione dell'attività da utilizzare nei sistemi automatici di erogazione di radiofarmaci. Il primo capitolo della tesi si concentra sul quadro teorico correlato alla ricerca. Il secondo capitolo tratta del progetto SPEKTRO, che è stato condotto presso l'azienda Tema Sinergie con l'obiettivo di sviluppare un sistema di rilevamento gamma da utilizzare nei sistemi di gestione dei rifiuti radioattivi. In questo progetto, il Multi Channel Analyzer (MCA) sviluppato è stato testato in varie condizioni ambientali e sono state effettuate la calibrazione dell'energia e dell'efficienza del sistema di rilevamento per tutte le geometrie dei sistemi di gestione dei rifiuti radioattivi. I risultati di questo studio sono stati pubblicati sulla rivista Nuclear Science and Engineering [3]. Il terzo capitolo della tesi riguarda la seconda fase del progetto di dottorato, che prevede lo sviluppo di un rilevatore di scintillazione in tempo reale da utilizzare in un sistema automatico di erogazione di dosi.