La modellazione con metodo Monte Carlo dell’intera testata del Linac rappresenta in maniera quanto più precisa la reale situazione sperimentale. Trattando i fenomeni macroscopici attraverso le interazioni microscopiche diventa così possibile analizzare in dettaglio le singole caratteristiche della testata ottenendo anche dati difficilmente misurabili come gli spettri energetici.

Questa tesi ha voluto quindi trattare il problema completo della creazione di un modello virtuale di un acceleratore per radioterapia includendo tutti i suoi singoli elementi meccanici, descritti in termini precisi di forma e composizione chimica.

Nello svolgersi dei capitoli si dimostra così che la corretta riproduzione virtuale del linac Elekta Sli utilizzato nel reparto di radioterapia dell’ospedale S.Chiara di Trento, permette la precisa convergenza dei dati simulati con le misure sperimentali.

E’ possibile affermare che la prima fase di commissioning del modello virtuale è stata
effettuata con successo.

La scelta del pacchetto Geant4 si è dimostrata versatile per la creazione del modello geometrico ma è necessario ancora del lavoro per poterla utilizzare come motore di calcolo per TPS a causa della lentezza dei calcoli. Per ovviare a questo problema è stato così creato uno strumento capace di distribuire i calcoli su diverse macchine tutte connesse ad una rete locale, mostrando una buona scalabilità.

Questo strumento, consistente di un semplice script Linux è risultato contemporaneamente la soluzione più facile e più efficace, data la natura intrinsecamente parallela di un algoritmo Monte Carlo.

I calcoli sono stati effettuati in un arco di tempo di qualche mese sui computer predisposti dell’ospedale S. Chiara ed hanno permesso, grazie ad un processo iterativo ed incrementale, di aggiornare e sviluppare di pari passo il codice, in modo da avere il migliore grado d’accordo con i dati sperimentali. I tempi relativi alle singole simulazioni per determinate dimensioni di campo si sono attestati intorno ai 10 giorni. Adottare un numero maggiore di CPU ridurrebbe questo intervallo di tempo in maniera direttamente proporzionale.

I dati ottenuti dalle singole simulazioni sono poi resi disponibili all’analisi statistica tramite un’interfaccia creata appositamente in MatLab. I test statistici effettuati sui profili di dose laterale e PDD hanno verificato la bontà dell’implementazione e la precisa descrizione della geometria reale per diverse dimensioni di campo. E’ stato possibile inoltre investigare gli effetti delle inomogeneità d’aria all’interno del fantoccio o altri parametri di studio come gli spettri energetici dei fotoni primari di bremsstrahlung oppure studiare l’uniformità della fluenza energetica all’uscita dal flattening filter.

Tutti questi studi, possibili grazie alle caratteristiche avanzate del toolkit Geant4 possono dare al progettista di acceleratori come al fisico sanitario importanti consigli.

L’analisi dei dati, a differenza delle simulazioni, è possibile in tempi ristretti su computer ordinari (pochi minuti su un laptop).

La struttura complessa ed altamente versatile del toolkit Geant4 con cui è stato scritto il programma in questione, consente allo sperimentatore di accedere a quantità difficilmente misurabili nella pratica come lo spazio delle fasi relativo ad ogni tipologia di particella ed alla sua classificazione (primaria o secondaria). Gli spettri energetici, le mappe di fluenza o i depositi energetici risultano accessibili relativamente ad ogni zona desiderata tramite gli strumenti di scoring. Per energie più elevate di 15 MeV, il programma risulta facilmente estendibile nel dominio delle interazioni adroniche semplicemente aggiungendo i processi relativi a ionizzazione di particelle e ioni pesanti (soprattutto protoni, ioni carbonio) o decadimenti nucleari.

E’ convinzione attuale che i prossimi piani di trattamento per radioterapia basino il proprio motore di calcolo su algoritmi MC: questo lavoro ne dimostra le
enormi potenzialità grazie alla possibilità di distribuire il calcolo su più processori ed evidenzia come il toolkit Geant4 possa entrare a far parte dei motori di calcolo TPS della nuova generazione.
I possibili sviluppi di questo lavoro riguardano principalmente tecniche di variance reduction applicate al trasporto di radiazione, parallelizzazione massiva su cluster dedicati tramite reti informatiche ad alta velocità ed infine la capacità di simulare volumi molto complessi come i fantocci voxel ricavati da dati TAC di pazienti. Il trasferimento dell’applicazione sulla griglia computazionale internazionale GRID resta infine una possibilità concreta da tenere in conto, grazie agli eventuali sviluppi sull’interfaccia DIANE.Le competenze necessarie per queste sviluppi però esulano dal lavoro del fisico
sanitario, richiedendo di fatto un vasto know-how di informatica. Il suggerimento che questo lavoro di tesi dà è il necessario affiancamento, del fisico esperto in dosimetria, con la figura dello sviluppatore C/C++ e Java anche all’interno dell’ambiente clinico che spesso si propone come vero e proprio laboratorio di ricerca.