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Edificio di FAULHABER France SAS, Montigny-le-Bretonneux, France

FAULHABER France SAS

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78180 Montigny-le-Bretonneux

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ELMEQ Motor

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Tel.: +358 (0) 9 5259 230

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Routech s.r.o.

Dr. Milady Horákové 185/66

460 06 Liberec

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info@routech.cz

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2730 Herlev

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Marte Científica e Instrumentação Industrial Ltda

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37540-000 Santa Rita do Sapucai, MG

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PiezoMotor nella tomografia a emissione di positroni

Come cercare un ago in un pagliaio

“Solitamente la scoperta del tumore primitivo è piuttosto facile e possibile grazie a numerose tecniche. Al contrario, la localizzazione di tutte le metastasi, molte delle quali grandi non più della testa di uno spillo, è molto difficile”, spiega il Dott. Martin Pärnaste, ingegnere capo della divisione Cyclotron Systems di GE Healthcare ad Uppsala, in Svezia. La PET aiuta ad individuare queste metastasi. Questo può essere di fondamentale importanza per definire le terapie successive.

Proprio come i raggi X e la tomografia computerizzata (TC), anche la PET genera le immagini grazie a una minima dose di radiazione radioattiva. Tuttavia, in questo caso, la radiazione non viene emessa da un dispositivo che la indirizza verso il corpo dall'ester no, bensì proviene da particelle radioattive precedentemente somministrate al paziente. Esse vengono general mente mischiate con del glucosio per formare un cosiddetto radiofarmaco o “tracer” e quindi iniettate per via endovenosa.

PiezoMotor nella tomografia a emissione di positroni
La tomografia a emissione di positroni (PET) permette di distinguere in maniera molto precisa le cellule tumorali dai tessuti circostanti. © GE HEALTHCARE

Breve emivita

L'agente diagnostico per la PET presenta sostanze debolmente radioattive e relativamente innocue. Esse si decompongono rapidamente senza lasciare residui critici. In circa il 90% dei casi viene impiegato l'isotopo 18F dell’alogeno fluoro. Questo isotopo ha un'emivita breve della durata di circa 110 minuti, pertanto dopo un giorno ha perso quasi tutta la sua radioattività. Vengono usati anche altri isotopi con un'emivita analogamente breve.

Dato che i radiofarmaci per PET si decompongono così velocemente, essi non possono essere conservati come si fa per altri materiali, ma devono essere prodotti ad hoc in un acceleratore di particelle, il ciclotrone, poco prima di essere usati. Quest'ultimo non deve trovarsi troppo lontano dal luogo di impiego dato che anche durante il trasporto ogni minuto conta.

La corsa delle particelle su una traiettoria a spirale

La creazione dei primi ciclotroni risale agli anni trenta da parte dei pionieri della fisica delle particelle. Da allora, il loro principio di funzionamento ha subito numerose modifiche ed evoluzioni, fino ad arrivare al più grande acceleratore di particelle, quello del CERN di Ginevra. Ad ogni modo, questa tec nica si è rivelata vincente anche nelle tecnologie bio mediche. Per produrre gli isotopi per la PET, gli ioni di idrogeno a carica negativa vengono accelerati in una camera a vuoto che si trova all'interno del ciclotrone. Essi vengono accelerati da campi elettrici e quindi mantenuti su una traiettoria a spirale grazie ad un forte campo magnetico.

Alla fine della traiettoria passano attraverso una sottile lamina di grafite perdendo i propri elettroni e diventando così protoni dalla carica positiva. Questa inversione di carica comporta anche il passaggio della loro traiettoria da un moto a spirale ad una linea retta. L'orientamento della lamina determina la direzione del fascio di protoni. Esso è diretto verso una camera di reazione, il cosiddetto bersaglio (target), al cui interno si trova la fonte primaria per gli isotopi. Qui il fascio di protoni scatena una reazione nucleare e genera, dal materiale bersaglio, gli isotopi richiesti.

Alcuni anni fa al Dott. Pärnaste e al suo team fu assegnato il compito di migliorare ulteriormente la reazione e di sviluppare una macchina che fosse quanto più piccola ed economica possibile. Essa doveva contribuire a facilitare l'accesso clinico agli isotopi PET e ad agevolare ancora di più la diffusione di questa tecnologia di diagnostica per immagini. Il risultato di questa evoluzione ha preso il nome di GENtrace ed è stato lanciato sul mercato nel 2017 riscontrando un grande successo.

PiezoMotor nella tomografia a emissione di positroni
© GE HEALTHCARE

Una tecnologia di azionamento senza magneti

Al fine di ottenere la quantità più grande possibile di isotopi o isotopi da diversi elementi in un unico passaggio, il nuovo ciclotrone ha tre bersagli. Pertanto, l'orientamento del fascio deve essere variabile in modo da poterli colpire tutti e tre. Per raggiungere questo obiettivo, il supporto su cui è fissata la lamina di grafite viene mosso per mezzo di un motore.

Tuttavia, all'interno di un ciclotrone sussistono delle condizioni, alle quali i motori elettrici tradizionali difficilmente riescono a far fronte: i campi magnetici, il vuoto, i campi elettrici e le radiazioni interferiscono con il loro funzionamento o lo rendono del tutto impossibile. Ecco perché il motore che determina l'orientamento del fascio normalmente si trova al di fuori del ciclotrone stesso. Il movimento viene poi trasmesso al supporto della lamina attraverso una complessa struttura meccanica. Questo comporta notevoli svantaggi, tra cui il gioco meccanico e l'impegnativa sigillatura ermetica necessaria nei punti in cui le parti mobili passano attraverso la parete della camera a vuoto.

Questi svantaggi scompaiono se si ricorre ad un motore piezoelettrico. Il suo principio di funzionamento, infatti, lo rende immune alle condizioni avverse presenti nel ciclotrone. In quanto, a differenza di un motore elettrico classico, esso non necessita né di componenti magnetici né di parti rotanti per convertire la corrente elettrica in movimento. Il suo principio operativo si basa sul fatto che la forma di un elemento in piezoceramica si modifica quando ad esso viene applicata una tensione.

È per questi motivi che il motore piezoelettrico può essere collocato direttamente nel punto di deflessione, in quanto il suo funzionamento non risente né dei campi, né della radiazione, né del vuoto. L'unico passaggio a parete necessario è quello per l'ingresso dei cavi di alimentazione e di controllo nella camera a vuoto. In questo caso la sigillatura non comporta difficoltà dato che non si tratta di elementi in movimento.

La tecnologia giusta senza andare lontano

A richiamare l'attenzione degli esperti di GE Healthcare su questa tecnologia di PiezoMotor era stato un articolo apparso su una rivista specializzata. Poi si è scoperto che era anche logisticamente favorevole, dato che entrambe le aziende hanno la loro sede a Uppsala. “Dopo aver testato diversi micromotori e soluzioni motrici, alla fine è arrivata la svolta decisiva per la fase di sviluppo. Il design finale prevede l'impiego di due azionamenti dell'azienda PiezoMotor: un motore lineare da 20N che muove il fascio di protoni ed un motore rotativo non magnetico con una coppia di 50 mNm che regola l'estrazione di ioni”, conclude il Dott. Pärnaste.

Questo secondo azionamento, collocato all'interno del ciclotrone, si occupa del posizionamento della sorgente di ioni. Per estrarre da essa il maggior numero di ioni possibile con l'aiuto di un elettrodo, occorre regolare ripetutamente la rispettiva posizione di sorgente ed elettrodo. Grazie al motore piezoelettrico ora ciò è possibile durante il funzionamento, cosa che riduce sensibilmente i tempi di manutenzione per la calibrazione del sistema.

“PiezoMotor offre una vasta gamma di prodotti dal design modulare. Ci sono state proposte numerose opzioni sia per i motori lineari che per quelli rotativi con caratteristiche differenti tra cui poter scegliere i modelli adatti”, afferma il Dott. Pärnaste. “Inoltre, PiezoMotor ha un team di ingegneri estremamente competente che ha fornito un grande contributo durante la fase di sviluppo del prodotto”.

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