The SPES_MED project

Resumen Técnico: El Proyecto SPES_MED

Planteamiento del Problema
La producción de radionúclidos médicos es crítica para el campo en expansión de la medicina nuclear, que depende cada vez más de nuevos isótopos para la teranóstica, la imagen bimodal y la radioferapia dirigida. Sin embargo, la disponibilidad de radionúclidos de grado de investigación de alta pureza sigue siendo un desafío, lo que requiere infraestructuras de investigación avanzadas. Si bien la instalación SPES (Producción Selectiva de Especies Exóticas) en el INFN-Laboratori Nazionali di Legnaro (INFN-LNL) está diseñada primordialmente para producir haces de iones re-acelerados exóticos para la física fundamental, su sistema de extracción de haz dual ofrece una oportunidad única para la investigación aplicada. El proyecto SPES_MED aborda la necesidad de optimizar la producción de radionúclidos médicos específicos aprovechando tanto los métodos de activación directa como la técnica de Separación de Isótopos en Línea (ISOL). Un desafío clave identificado es la falta de datos precisos de secciones eficaces nucleares y de parámetros de desintegración fiables para isótopos emergentes, lo que dificulta la optimización de las rutas de producción y la evaluación de la pureza radionuclídica.

Metodología
El proyecto SPES_MED (financiado para 2025–2027) se estructura en torno a tres Paquetes de Trabajo (WP) que involucran una colaboración entre el INFN-LNL y diversas universidades e institutos de investigación italianos.

• WP1 (Mediciones de Secciones Eficaces Nucleares): El equipo realiza mediciones experimentales de reacciones nucleares utilizando haces de partículas cargadas. Las campañas específicas incluyen:
  • Reacciones inducidas por deuterones en blancos enriquecidos de $^{49}$Ti ($^{49}$Ti(d,x)$^{47}$Sc) realizadas en la instalación GIP ARRONAX mediante el método de láminas apiladas (stacked-foils).
  • Reacciones inducidas por partículas alfa en blancos de europio natural ($^{nat}$Eu($\alpha$,x)) y reacciones inducidas por protones en gadolinio, cubriendo energías de hasta 65–68 MeV.
  • El análisis post-irradiación se realiza mediante espectrometría $\gamma$ de alta resolución con detectores HPGe, siguiendo las curvas de desintegración durante varios días para resolver interferencias.
• WP2 (Producción ISOL e Instalaciones): Este paquete de trabajo se centra en la Estación de Implantación de Radionúclidos ISOLPHARM (IRIS).
  • El sistema IRIS, ubicado en la sala de experimentos de baja energía de SPES, recolecta Haces de Iones Radioactivos (RIBs) sobre sustratos orgánicos (tabletas de hipromelosa/sorbitol) para su posterior análisis.
  • Las actividades de puesta en marcha incluyen la Fuente de Ionización Láser de SPES (SPES-LIS), que utiliza la fotoionización escalonada resonante (validada con haces estables de samario) para mejorar la pureza elemental y reducir la contaminación isobárica.
  • Se realizan pruebas de eficiencia de ionización utilizando haces estables (por ejemplo, plata) en el front-end offline para optimizar las condiciones para la futura producción de haces radiactivos.
• WP3 (Modelado y Simulaciones Nucleares): Este paquete emplea herramientas computacionales para interpretar los datos experimentales y optimizar los parámetros de producción.
  • Algoritmos Genéticos (GA): Se utiliza un GA para optimizar los parámetros del modelo de reacción nuclear TALYS (específicamente los parámetros de densidad de niveles) para ajustar mejor los datos experimentales de sección eficaz para la reacción $^{49}$Ti(p,x)$^{47}$Sc.
  • Simulaciones de Monte Carlo: Se utiliza Geant4 para simular procesos de difusión en cajas de blanco de SiC para calcular los tiempos medios de escape de los nucleidos. Los códigos FLUKA y PHITS se utilizan para modelar las tasas de producción en blancos de SiC, TiC y UCx y para contrastar las predicciones teóricas con los datos experimentales.
  • Estudios de Fotoionización: Se evalúa la eficiencia intrínseca de los esquemas de ionización láser para Mg, Sc, Ga y Ag para predecir los rendimientos de iones dentro del SPES-LIS.

Contribuciones Clave y Resultados

• Datos de Sección Eficaz: El proyecto ha generado nuevos datos experimentales de sección eficaz para la reacción $^{49}$Ti(d,x)$^{47}$Sc y para las reacciones $^{nat}$Eu($\alpha$,x) que producen isótopos de Terbio ($^{149-156}$Tb). Estos resultados proporcionan una entrada esencial para las bases de datos nucleares y ayudan a identificar los parámetros de irradiación óptimos.
• Revisión de Datos de Desintegración: Un hallazgo significativo involucra la relación de ramificación para la transición interna $^{154m1}$Tb $\rightarrow$ $^{154g}$Tb. El ajuste experimental de las curvas de desegregación arrojó un valor preliminar de ~8%, que es sustancialmente inferior al valor de la literatura de 21.8 ± 0.7%. Esta discrepancia sugiere la necesidad de revisar los datos de desintegración para evaluar con precisión la pureza radionuclídica.
• Determinación de la Vida Media: Se realizó una nueva medición de alta precisión de la vida media de $^{111}$Ag, resultando en un valor de 7.4236(11) días. Este valor entra en conflicto con el valor actualmente recomendado de 7.45(1) días, confirmando una discrepancia conocida en la literatura.
• Puesta en Marcha de la Infraestructura: El sistema IRIS fue instalado y probado con éxito en modo offline, incluyendo los procedimientos de venteo y evacuación. El SPES-LIS fue puesto en marcha con haces estables, demostrando la capacidad de producir elementos como $^{111}$Ag con alta eficiencia y baja contaminación isobárica.
• Optimización de Modelos: La optimización de los parámetros de TALYS basada en GA para la reacción $^{49}$Ti(p,x)$^{47}$Sc demostró un error cuadrático medio (RMSE) consistentemente más bajo en comparación con el modelo por defecto, validando el enfoque para mejorar las simulaciones de reacciones nucleares.
• Diseño de Blancos: Las simulaciones preliminares de Geant4 de las geometrías de blancos de SiC y los estudios en curso de FLUKA/PHITS de blancos de TiC están estableciendo puntos de referencia para las tasas de producción y optimizando los diseños de los blancos para la irradiación de alta potencia.

Significado
El artículo posiciona al proyecto SPES_MED como un paso crítico para cerrar la brecha entre la infraestructura de física nuclear fundamental y las necesidades prácticas de la medicina nuclear. Al generar datos de sección eficaz precisos y refinar los modelos nucleares, el proyecto pretende optimizar los rendimientos de producción y la pureza radionuclídica para isótopos como $^{47}$Sc, $^{111}$Ag e isótopos de Terbio. El proyecto sostiene que la integración de datos experimentales con técnicas numéricas avanzadas (como algoritmos genéticos y simulaciones de Monte Carlo) es esencial para superar las limitaciones de las predicciones teóricas existentes. Además, la exitosa puesta en marcha de la estación IRIS y del SPES-LIS amplía la gama de isótopos que pueden producirse con alta eficiencia, apoyando directamente los objetivos del consorcio europeo PRISMAP+ para proporcionar radionúclidos de alta pureza para la investigación. El trabajo subraya la importancia de los estudios experimentales dedicados para resolver las discrepancias en los datos de desintegración nuclear, las cuales tienen consecuencias directas en la seguridad y eficacia de los radiofármacos.