Acceleratori per terapia oncologica
Concetta Ronsivalle – UTAPRAD-SOR ENEA Frascati
Workshop – “Oncogenesi: tra scienza e clinica medica” ENEA-Frascati,Aula Brunelli 10-11 giugno 2010
Attività nel CR ENEA-Frascati
Sommario
• Acceleratori lineari di elettroni per RadioTerapia Intraoperatoria (IORT)
• Acceleratori lineari di protoni per protonterapia
• Conclusioni
Acceleratori lineari di elettroni
• Anni’80‐’90:azioneditrasferimentodelknow‐howall’industrianazionalenelcampodellacostruzionedipiccoliacceleratorilinearidielettroni.
• TalecompetenzatrasferitaallaSocietàHITESYSdiApriliaconsentìlarealizzazionedelsistemaperRadioterapiaIntraoperatoria(IORT)NOVAC7(primamacchinainstallatainunospedalenel1997)
Competenze ENEA nello sviluppo di acceleratori medicali:
• Competenze teoriche e progettuali: - Modellistica degli acceleratori per
elettroni e protoni, dalla sorgente al beam delivery
- Progettazione e analisi delle problematiche degli impianti di acceleratori per uso medicale
• Competenze sperimentali e realizzative: - Impianti di radiofrequenza di alta
potenza - Sintonia di strutture acceleranti e
misure RF -Impianti da ultra alto vuoto,
diagnostiche e sicurezze
La Radioterapia IntraOperatoria (IORT)
• La IORT è una modalità di trattamento radioterapico che consiste nella somministrazione di una dose elevata di radiazione al residuo tumorale o al letto tumorale esposto chirurgicamente ad un fascio collimato di elettroni.
• Peculiarità: - impiego diretto in sala operatoria - tempi di irradiazione brevissimi (<1 min) - dose unica (~20 Gy) - limitate misure radioprotezionistiche in sala
operatoria • Vantaggi: - Irradiazione immediata - Manipolabilità della zona da irradiare - Migliore effetto radiobiologico:
(Iort 21 Gy 52 Gy frazionata) - Risparmio di tempo: un singolo trattamento IORT
sostituisce 5 settimane di radioterapia a fasci esterni - Drastica riduzione dei tempi di attesa
La Radioterapia IntraOperatoria (IORT): Studi-Risultati
Applicazioni IORT consigliate (ISIORT Madrid 10-13 giugno 2008):
TUMORI DELLA MAMMELLA (Veronesi-Lesti): Donne >50 anni Tumori < 2,5 cm Dose singola applicata al quadrante 21 Gy -Recidive locali a 5 anni: 2 - 2,2% contro i 6 - 8% con rtp esterna
TUMORI DEL RETTO LOCALMENTE AVANZATI (Doglietto-Valentini): Come boost, in combinazione con Rtp esterna e chemio Cancro del retto medio basso T3 -Sola chirurgia a 5 anni: 23,2% recidive e 52,2% sopravvivenza -Chemio + IORT a 5 anni: 6,6% recidive e 73,0% sopravvivenza
TUMORI DELLO STOMACO (Takahashi - Abe): 211 pazienti -II STADIO: a 5 anni sopravvivenza 84% (IORT) vs 62% (no IORT) -III STADIO: a 5 anni sopravvivenza 62% (IORT) vs 37% (no IORT) -IV STADIO: a 5 anni sopravvivenza 15% (IORT) vs 0% (no IORT)
IL NOVAC7
Testa radiante
La testa radiante (cannone elettronico+acceleratore lineare) è montata su di un sistema robotizzato che ne assicura la completa mobilità
Cono di collimazione in plexiglas
Guida d’onda flessibile
Alimentatore a radiofrequenza
40 mm 60 mm 80 mm 100 mm
La struttura accelerante del NOVAC7
• Energie nominali 3-5-7-9 MeV • Corrente di picco 1.5 mA • Frequenza di ripetizione 1-30 Hz
• Durata dell’impulso 4 µsec • Frequenza RF 2.998 GHz • Tipo di Struttura SW OAC in rame OFHC brasata • No. cavità acceleranti 11 • Lenti magnetiche nessuna • Lunghezza 50 cm • Peso 25 Kg
• Autofocheggiamento
• Bassa radiazione di fondoLe perdite di fascio si hanno prevalentemente nella prima cavità a bassa energia
<E>=127 KeV
<E>=407 KeV
<E>=18 KeV
<E>=50 KeV
Scudo assorbitore della radiazione diffusa dal paziente
Computed spot size at linac output
4mm
NOVAC7: caratteristiche dosimetriche - Riproducibilità dell’output a lungo termine
- Riproducibilità dell’output a breve termine
- Uniformità del campo
- Simmetria del campo
- Riproducibilità del sistema dosimetrico a breve termine
- Linearità del sistema dosimetrico
- Coda di Brehmsstrahlung
≤ 2%
≤ 1%
≤ 5%
≤ 2%
≤ 1%
≤ 1%
≤ 0.2%
1999-2003: Il Progetto IORT
• SistemaIORTinnovativocondestinazioneinunOspedaledelSudItalia
• Svilupposistemidosimetricidedicati• ModellizzazioneinRVdelprocessoIORT
IORT-1 Macchina commerciale LIAC
• 4M€daMIUR‐UE• Coordinamento
ENEA• Partners:IFOConsorzioCETMA,UniversitàdiBologna• 2brevetti
Ottimizzazione numerica della geometria del cannone: equipotenziali e traiettorie elettroniche
Dal 2007: collaborazione con la NRT, attuale possessore del marchio NOVAC
Sviluppo cannone elettronico per linac-IORT
Tra i temi di collaborazione: Tipo di catodo Dispenser
Raggio del catodo 0.4 mm
Massima tensione anodica 13 KV
Corrente 3 mA
Distanza catodo-anodo 14 mm
Perveanza 0.002 µPerv
Diametro del fascio iningresso al linac 0.25 mm
FilamentoTensione di riscaldamento 5 ÷ 7 V
Potenza massima 3 W
Corrente 350 mA
Recenti sviluppi per acceleratori compatti
Sviluppo di linacs in banda C (F=5712 MHz) in collaborazione con la società ADAM di Ginevra
Applicazione: LINAC IORT da 12 MeV
Cavità in Banda S
Cavità in Banda C
Prototipo di linac in Banda C (realizzato presso TSC, Fiumicino) in misura su banco RF
Attività ENEA su acceleratori lineari per protonterapia
• 1993: Il Laboratorio Acceleratori dell’ENEA partecipa alla Collaborazione Adroterapia (Amaldi 1991)
• 1994: Invenzione della struttura
SCDTL a 3GHz per protoni
di bassa energia (Brevetto ENEA)
• 1996: Proposta di un acceleratore lineare
innovativo da 200 MeV nel GREEN BOOK
(eds. Amaldi, Picardi, Grandolfo)
• 1998-2005 Progetto TOP (ENEA-ISS-IFO) 2 Convenzioni ENEA-ISS (2.6 M€)
Realizzazioni: iniettore da 7 MeV e prototipo modulo SCDTL
• Anni successivi: attivazione Progetto TOP-IMPLART (Intensity Modulated Proton Linear Accelerator for RadioTherapy)
RF input
Cavità accoppiante
Tank accelerante
PMQ
Razionale dell’impiego della protonterapia
• Vantaggiorispettoallealtretecniche:SelettivitàspazialeTerapiaconformazionale
• Trattaticirca45000pazienti• Tumoritrattabili:
CategoriaA(tumoripercuilaptèelettiva):melanomauvealeeitumoridellabasecranicaedellacolonnavertebrale(cordomi,sarcomiemeningiomi)
CategoriaB(tumoripercuilaptèvantaggiosa):prostata,polmone,fegato,esofagoedistrettocervico‐cefalico
SOLO IMPT IMRT-IMPT
7 campi con IMRT
2 campi con IMPT
Confronto tra IMRT e IMPT
Mutuando le tecniche radioterapiche più avanzate con fasci di fotoni,si possono ottenere con i protoni concentrazioni di dose ancora più conformi.
IL PROGETTO TOP- IMPLART
FASE 1
FASE 2
• Obiettivo finale: realizzazione di un centro per protonterapia basato su un acceleratore lineare da 230 MeV
• Istituti coinvolti: ENEA (unità tecniche: APRAD, BIORAD), ISS,IFO
• Industrie coinvolte: NRT,CECOM,ADAM
• Finanziamenti: finanziata (11 M€ tramite convenzione ENEA-Regione Lazio) fase 1 fino a 150 MeV
Parametri di progetto relativi alla fase 1 Valore Unità di misura
Profondità max in tessuto 15 g/cm2
Energia dei protoni (max) 150 MeV
Variabilità a step 65 -150 MeV
Variabilità dinamica 90 -150 MeV
Dose 1-10 Gy/min
La fase 1 prevede la realizzazione di un impianto da 150 MeV, completo delle “facilities” di rilascio di dose per il trattamento dei tumori superficiali e semi-profondi.
L’acceleratore IMPLART-150
Iniettore PL7 (ACCSYS) 425 MHz, 7 MeV installato a Frascati
Prototipo modulo SCDTL 7-12 MeV
Parametri di macchina e utilizzo
Parametri Valore
Energiedelfascio,Fase1Energiedelfascio,Fase2
65/92‐150MeV65/92–230MeV
Duratadell’impulso 1‐3.5us
Frequenzadiripetizione 30–200Hz
Correntenell’impulso 0.1‐50uA
Correntemedia 0.12‐87.5nA
Dimensioneminima/tipicadelfascio
3Hx2V/7Hx7Vmm
EmittanzanormalizzataRMS 0.2πmm‐mrad
Composizione di 392 impulsi ciascuno da spot 7x7 per 8 slices
Schema di variazione dell’energia
ASPETTI INNOVATIVI
• Modularità • Tecnologia a 3 GHz a partire da 7 MeV • IMPT e scanning attivo 3D • Semplificazione del sistema di indirizzamento del fascio al paziente • Radioterapia + radiobiologia
Installazione presso il CR Frascati (sito di test)
TOP-IMPLART 150 MeV
Primi esperimenti di radiobiologia a 7 e a 17.5 MeV (primi 2 moduli SCDTL) nell’ambito del Programma ISPAN
Conclusioni Sono state descritte due attività che hanno nell’ENEA il
cuore della competenza di alta tecnologia e che promuovono lo sviluppo della radioterapia oncologica più moderna:
1-Piu’ di 40 macchine tra NOVAC7 e LIAC, i due sistemi IORT nati dalla collaborazione tra l’ENEA e industria nazionale, sono operativi in strutture ospedaliere.Tali sistemi si stanno diffondendo anche sul mercato estero. L’ENEA promuove ulteriori sviluppi.
2- Tramite il Progetto TOP-IMPLART verranno sviluppate nuove tecnologie finalizzate
• alla effettuazione di IMPT e scanning attivo 3D • all’effettuazione di ricerca radiobiologica e radioclinica • alla riduzione dei costi di impianto e dell’impatto economico e
ingegneristico • all’utilizzo di nuove tecnologie sfruttando le realtà già operative nel
campo della IORT