Immaginate di entrare in una sorta di astronave, ma qui non si viaggia nello spazio: si viaggia all’interno della materia. Il Centro di ricerca Elettra Sincrotrone di Trieste è una macchina che genera luce dalle proprietà eccezionali che consente di accedere a dettagli altrimenti “invisibili” della materia.
Elettra Sincrotrone si trova nel Campus di Basovizza di Area Science Park. Nell’anello di accumulazione – una pista quasi circolare lunga oltre 250 metri – gli elettroni corrono veloci, a velocità prossime a quelle della luce, e producono la radiazione di sincrotrone: una luce di altissima intensità, ben dieci miliardi di volte più brillante di quella generata da sorgenti di radiazione convenzionali. Di fatto, il fascio di luce può essere inviato su un campione permettendone l’analisi strutturale e morfologica.
Proprio utilizzando i raggi X prodotti dalla sorgente di luce Elettra è possibile migliorare le immagini radiologiche del polmone. Lo dimostra uno studio pubblicato sulla rivista European Respiratory Journal.
Con la luce di sincrotrone migliore la risoluzione delle immagini dei polmoni
“Rispetto alla tradizionale TAC ospedaliera, che consente di osservare dettagli del polmone umano fino a circa 0,5 millimetri, l’uso della luce di sincrotrone estende la visibilità a dettagli più piccoli e, nonostante la maggiore risoluzione, la dose di radiazione per il paziente è ridotta di 2-3 volte” spiega Giuliana Tromba, Coordinatrice dello studio, che è stato condotto con la collaborazione di Marco Confalonieri, Direttore della Struttura Complessa Pneumologia dell’Ospedale Universitario di Cattinara di Trieste, Maria Assunta Cova, Direttrice della Radiologia Diagnostica e Interventistica dell’ospedale triestino, e Christian Dullin e Willi Wagner, Ricercatori delle Università di Göttingen e di Heidelberg in Germania.
Doppio vantaggio: si riduce la dose assorbita e aumenta la risoluzione
“Si riduce dunque la dose assorbita e aumenta la risoluzione”. Questo rappresenta un vantaggio per la sicurezza del paziente. Ma non solo. L’immagine che si ottiene riesce a far luce meglio sulle varie componenti e strutture anatomiche del polmone con interessanti implicazioni cliniche. “Questa tecnica potrebbe infatti essere utile per il riconoscimento precoce di lesioni patologiche, come i tumori e la fibrosi del polmone”. In pratica, è come avere un gigantesco microscopio, che consente di aumentare al massimo la risoluzione e ridurre al minimo la dose da radiazioni. “Riuscire a ottenere immagini dei tessuti più accurate, che permettono una migliore visualizzazione dei dettagli, è molto importante per la diagnosi precoce” puntualizza Giuliana Tromba, fisica che da molti anni studia le applicazioni radiologiche dei raggi X prodotti a Elettra in vari ambiti scientifici, sfruttando le caratteristiche uniche della luce di sincrotrone. “La luce di sincrotrone è infatti uno strumento essenziale per le ricerche in molte discipline scientifiche”.
La linea di luce per la fisica medica SYRMEP
Gli esperimenti illustrati su European Respiratory Journal sono stati condotti su un modello animale utilizzando la linea di luce SYRMEP.
SYRMEP sta per SYnchrotron Radiation for MEdical Physics. “È una linea di raggi X duri, dove si realizzano vari tipi di imaging, con applicazioni in vari campi: dall’ambito biomedicale e biologico a quello della vulcanologia e della scienza dei materiali” spiega Tromba. Che aggiunge: “I raggi X sono dei fotoni che hanno un’energia compresa fra qualche kiloelettronvolt a qualche centinaia di kiloelettronvolt. L’intervallo di energia che si usa per l’imaging diagnostico biomedicale è quello dei raggi X duri, la cui energia è tale da attraversare il corpo umano. Per lo studio dei polmoni si lavora fra i 40 ed i 70 kiloelettronvolt ”.
L’auspicio del team di ricerca è di avviare una sperimentazione clinica di questa modalità di imaging innovativa che, migliorando la qualità delle immagini, potrà consentire di identificare e caratterizzare precocemente rispetto alla TAC convenzionale alterazioni create al polmone da malattie gravi come i tumori e le fibrosi interstiziali polmonari. “Gli studi potranno essere estesi ai pazienti degli ospedali della Regione Friuli-Venezia Giulia, che rientreranno nei criteri di arruolamento autorizzati, quando sarà ultimata la nuova macchina di luce Elettra 2.0” aggiunge Tromba. La nuova macchine di luce dovrebbe entrare in funzione nel 2027 e, con l’upgrade del laboratorio, la nuova linea di luce SYRMEP-Life Science sarà dotata di un ambulatorio radiologico dedicato proprio a studi su pazienti.
“Il primo protocollo clinico di TAC polmonare sarà rivolto essenzialmente ai casi per i quali la diagnosi tradizionale lascia dei dubbi interpretativi. Sono queste le situazioni in cui le potenzialità della luce di sincrotrone si potranno rivelare determinanti per la comprensione e la caratterizzazione delle anomalie del tessuto” anticipa Tromba. In altre parole, laddove la tecnica convenzionale non riuscisse a fornire una diagnosi certa, la tecnica con la luce di sincrotrone può aiutare a vedere molto meglio e con dosi di radiazioni significativamente più basse.
Ma come funziona il sincrotrone?
Il laboratorio Elettra grazie alla luce eccezionalmente brillante che produce – la radiazione di sincrotrone – consente di rivelare dettagli dei materiali inaccessibili altrimenti, con applicazioni in diverse discipline: dalla chimica alla biologia, dall’elettronica alle scienze ambientali, dall’ingegneria dei materiali alla medicina.
Come è illustrato in questo video, tutto inizia nel booster, una macchina che spara elettroni e li accelera a energie elevatissime. Attraverso un principio simile a quello che faceva funzionare il tubo catodico dei vecchi televisori, le particelle cariche vengono emesse da un elettrodo metallico; poi gli elettroni vengono accelerati mediante intensi campi elettromagnetici all’interno di un tubo d’acciaio che costituisce un anello di circa 120 metri di circonferenza e vengono portati fino all’energia di 2,5 giga elettronvolt. Dal booster gli elettroni passano nella linea di trasferimento e da questa vengono iniettati all’interno di un secondo e più grande anello di accumulazione, lungo 260 metri, dove circolano a una velocità molto vicina a quella della luce. È qui che viene prodotta la luce di sincrotrone.
La pista lungo la quale corrono gli elettroni è formata da tratti rettilinei e sezioni curve. In corrispondenza di ogni curva, un magnete di grandi dimensioni costringe gli elettroni a cambiare direzione e a ogni deviazione gli elettroni perdono energia sotto forma di luce. Mentre gli elettroni continuano a girare, i fasci luminosi emessi vengono canalizzati in tratti rettilinei tangenti all’anello: sono queste le cosiddette linee di luce dove vengono condotti gli esperimenti. Come la linea di luce SYRMEP di cui è responsabile Giuliana Tromba.
Al Centro di ricerca Elettra Sincrotrone di Trieste sono 28 le linee di luce operative, specializzate in diversi tipi di misura e per particolari tipologie di materiali. Ogni linea di luce è dotata di una serie di dispositivi ottici in grado di selezionare la lunghezza d’onda desiderata della luce e termina in una camera sperimentale dove viene posizionato il campione da studiare.
