Acceleratori e Rivelatori per l'Adroterapia · 2003. 10. 31. · Houston (TX) (2004) protons...

Frascati - 22 ottobre 2003 - SB 1

ACCELERATORI E RIVELATORIACCELERATORI E RIVELATORIPER L’ADROTERAPIAPER L’ADROTERAPIA

Saverio BracciniSaverio Braccini e e Ugo AmaldiUgo AmaldiTERATERA

FondazioneFondazione per per AdroterapiaAdroterapia OncologicaOncologica


gluon

“ Hadrons…“ Hadrons…

…we know! ”…we know! ”


L3 a LEP: L3 a LEP: Misura di dEMisura di dE//dxdx


HADRON… therapyHADRON… therapy

4500 MeV CARBON

PSI – Villigen (CH)


CoComparisonmparison:: X (IMRT) X (IMRT) vsvs protonprotonss

eyes

abdomen

brain


RBE degli ioni CarbonioRBE degli ioni Carbonio

In In unauna cellulacellula unouno ioneione carboniocarbonio lascia lascia

23 23 voltevolte piupiu’ ’ energiaenergia didi un un protoneprotone

La ‘’La ‘’qualitàqualità” ” delladella deposizionedeposizione didi energiaenergiae’ e’ diversa diversa e e quindiquindi gligli effettieffetti direttidirettisulsul DNA DNA sonosono maggiorimaggiori didi quelliquelli indiretti indiretti

GliGli ioniioni carboniocarbonio sonosono efficaciefficaci suisuitumoritumori RADIORESISTENTIRADIORESISTENTI


TRATTAMENTO DEI TUMORITRATTAMENTO DEI TUMORI

100 % dei malati di tumore

Curabili45 %

Incurabili55 %

Trattamenti locali(chirurgia, radioterapia)

40 %

Altri trattamenti(chemioterapia, ecc)

5 %

Solochirurgia

22 %

Conradioterapia

18 %

56 % 44 %

90 %

40 % DEI40 % DEICURABILICURABILI


Numero di pazienti potenziali in ItaliaNumero di pazienti potenziali in Italia

Terapia con raggi X (fotoni da 5 – 20 MeV)

20'000 pazienti/anno ogni 10 milioni di abitanti

Protonterapia

Categoria A: 1% dei pazienti X = 200 pz/anno ogni 10 M

Categoria B: 10% dei pazienti X = 2'000 pz/anno ogni 10 M

Terapia con ioni carbonio dei tumori radioresistenti

10% dei pazienti X = 2'000 pz/anno ogni 10 M

Associazione Italiana di Radioterapia Oncologica – AIRO:

in Italia 1 centro per carbonio e 3-5 centri per protoni


AdroterapiaAdroterapia nel mondonel mondo

M.D. Anderson Cancer CenterHouston (TX) (2004)

protons (≤ 235 MeV) from cyclotron3 gantries + 1 fixed beam + 1 experimental

Midwest Proton Radiaton InstituteBloomington (IN) (2003)

protons (≤ 210 MeV) from cyclotron1 gantry + 1 fixed beam + 1 experimental

LOMA LINDA UNIVERSITY CENTER

Los Angeles (1992)protons (≤ 250 MeV) from synchrotron

3 gantries + 2 fixed beams

NORTHEAST PROTON THERAPY CENTER

NPTC of Mas General HospitalBoston (2001)

protons (≤ 235 MeV) cyclotron (IBA)

2 gantries + 2 fixed beams


AdroterapiaAdroterapia nel mondonel mondo

KASHIWA CENTERChiba (1998)

protons (≤ 235 MeV)cyclotron (IBA – SHI)

2 Gantries + 1 hor. beam

HYOGO MED CENTREHyogo (2001)

protons (≤ 230 MeV) - He and C ions (≤ 320 MeV/u) Mitsubishi synchrotron

2 p gantries + 2 fixed p beam + 2 ion rooms

TSUKUBA CENTREIbaraki (2001)

protons (≤ 270 MeV) synchrotron (Hitachi)

2 gantries2 beam for research

WAKASA BAY PROJECTby Wakasa-Bay Energy Research Center

Fukui (2002)protons (≤ 200 MeV) synchrotron (Hitachi)

1 h beam + 1 v beam + 1 gantry

SHIZUOKA FACILITYShizuoka (2002)

protons cyclotron or synchrotron2 gantries + 1 h beam

HEAVY ION MEDICAL ACCELERATOR

HIMAC of NIRS (1995)He and C (≤ 430 MeV/u) 2 synchrotrons

2 h beams + 2 v beams


AdroterapiaAdroterapia nelnel mondomondo

CentriCentri ““ospedalieriospedalieri” ” didi protonterapiaprotonterapia profondaprofonda in in costruzionecostruzione

tretre in USAin USA

due in due in CinaCina

unouno in in CoreaCorea

unouno in in GermaniaGermania

unouno in in SvizzeraSvizzera


Progetti europei per la terapia con ioni carbonioProgetti europei per la terapia con ioni carbonio

GSI GSI –– DarmstadtDarmstadtProgetto pilota con ioni carbonio Progetto pilota con ioni carbonio 200 pazienti trattati200 pazienti trattati


HICAT HICAT -- HeidelbergHeidelberg

Finanziati: 72,5 Finanziati: 72,5 MeuroMeuro

Pronto nel 2006Pronto nel 2006


In Italia CNA = Centro In Italia CNA = Centro NazionaleNazionale didi AdroterapiaAdroterapia

La La FondazioneFondazione TERA lo ha TERA lo ha promossopromosso e e progettatoprogettato; ; nelnel 2000 ha 2000 ha ottenutoottenuto l’approvazionel’approvazione del del GovernoGoverno e 20,6 e 20,6 MEuroMEuro

La La FondazioneFondazione CNAO (CNAO (PresidentePresidente: E. : E. BorloniBorloni), ), creatacreata nelnel 2001, 2001, ha ha ottenutoottenuto ulterioriulteriori finanziamentifinanziamenti e ha in e ha in corsocorso la la garagara per per l’edilizial’edilizia a a Pavia Pavia

Il 26 Il 26 settembresettembre TERA ha TERA ha passatopassato allaalla CNAO i CNAO i disegnidisegni e le e le specifichespecifiche definitive definitive dell’altadell’alta tecnologia tecnologia


Il Centro Il Centro NazionaleNazionale didi AdroterapiaAdroterapia (CNA)(CNA)


CNA = Centro Nazionale di CNA = Centro Nazionale di AdroterapiaAdroterapia per p e per p e 1212CC

FaseFase 11


Entrata principale ed edificio del sincrotroneEntrata principale ed edificio del sincrotroneSTUDIO CALVI s.r.l. Ingegneria e Architettura, Aprile 2003STUDIO CALVI s.r.l. Ingegneria e Architettura, Aprile 2003


Magneti Magneti


Cavità a radiofrequenzaCavità a radiofrequenza


TabellaTabella deidei tempitempi

Progetto definitivo: Progetto definitivo: aagostogosto 2002 2002 –– ssettembreettembre 20032003

Consegnato alla CNAO il 26 setttembre 2003Consegnato alla CNAO il 26 setttembre 2003

22 22 oottobrettobre 20032003: chiusura della gara di appalto europea : chiusura della gara di appalto europea bandita dalla CNAO per il progetto definitivo degli edifici bandita dalla CNAO per il progetto definitivo degli edifici

e la direzione lavorie la direzione lavori


Funzionamento del CNAOFunzionamento del CNAODayDay--hospitalhospital

80% trattamenti con ioni e 20% con protoni 80% trattamenti con ioni e 20% con protoni –– tempi liberi per ricerca e tempi liberi per ricerca e svilupposviluppo

Durata seduta: ca. 20Durata seduta: ca. 20--30 minuti di cui 230 minuti di cui 2--3 minuti per l’irraggiamento3 minuti per l’irraggiamento

Anno di funzionamento 1 2 3 Turni di lavoro per i trattamenti 1 2 2

regimeOre giornaliere di funzionamento 7 13 13 Giorni di funzionamento / settimana 5 5 5 Settimane equivalenti / anno 44 44 44 Giorni equivalenti / anno 220 220 220 Pazienti che si trattano / anno 850 2200 3400 Numero sedute effettuate all’anno 4835 12160 18738


FaseFase 22


CCentroentro didi AAdrodroTTerapiaerapia ee AApplicazionipplicazioni NNucleariucleari AAvanzatevanzate

LNSLNS--INFN, University of INFN, University of CataniaCatania and Palermo, IST Messinaand Palermo, IST Messina

Treatments of ocular melanoma with proton beams: Treatments of ocular melanoma with proton beams: first time in Italy !first time in Italy !

[www.lns.infn.it]


PASSIVE SCANNINGPASSIVE SCANNING


ACTIVE SCANNINGACTIVE SCANNING

fast slow

horizontalscanning

verticalscanning

patient

energy variation from the synchrotron

tumour volume

beam direction


PRASSIPRASSI : un progetto della fondazione TERA: un progetto della fondazione TERA

SLIMcon CERN (Ginevra)

+ Ispra (JRC) (per test su fascio)

MASAcon Università e

INFN di Genova

MATRIXcon Università e

INFN di Torino

INTEGRAZIONE


SLIM SLIM ((SemSem for Low Interception Monitoringfor Low Interception Monitoring))

collection of secondary electronscollection of secondary electrons(SE)(SE) emitted by 0.emitted by 0.11 –– 0.4 0.4 µµm m aluminumaluminum ((AlAl--AlAl22OO33--Al) Al) foilsfoils

vacuum chamber

HV

secondary emission foil

electron detector

PROFILE/CURRENT MEASUREMENT

hadron beam

e beam

(G. Molinari, CERN)


FFocalizationocalizationSystemSystem

cylinder 1

cylinder 2foil

cage

• wire spacing : 4 mm• wire diameter : 40 µm• wire arc: 600

detector

CMOS/PAD DETECTORS

• foil: -20000 V

• cage: -20000 V

• ring: -17800/16800 V

• cylinder 1: 0 V

• cylinder 2 + detector: 0 V

hadron

hadron beambeam

TERATERA++

SUCIMA (EU)SUCIMA (EU)


TEAMTEAM


MASA MASA PerchèPerchè superconduttoresuperconduttore??

• PossibilitàPossibilità didi colpirecolpire ilil tumoretumoredada direzionidirezioni diversediverse•• MagneteMagnete resistivoresistivo: Peso 70 ton : Peso 70 ton ConsumoConsumo > 500 kW> 500 kW•• MagneteMagnete superconduttoresuperconduttore: : ResistenzaResistenza nullanulla, , campicampi magneticimagneticipiùpiù elevatielevati in in strutturestrutture piùpiùpiccolepiccole e e piùpiù leggereleggere

•• RisparmioRisparmio suisui costicosti costruttivicostruttivi•• RisparmioRisparmio suisui costicosti didi esercizioesercizio

SVANTAGGI: Necessità di raffreddare SVANTAGGI: Necessità di raffreddare il magnete a il magnete a ––270 gradi circa270 gradi circa


PROGETTO MASAPROGETTO MASA

Due linee di sviluppoDue linee di sviluppo•• Studio Studio didi fattibilitàfattibilità didi un un dipolodipolo curvocurvo superconduttore superconduttore •• Studio Studio didi un un apparatoapparato criogenicocriogenico dedicatodedicato


PRIMO PROTOTIPOPRIMO PROTOTIPO


MATRIXMATRIX

CamereCamere a a ionizzazioneionizzazione a pixela pixel

•• kaptonkapton (< 15 (< 15 µµmm ) + Cu () + Cu (< 25 < 25 µµmm))

•• Pixel : 1024 (32 Pixel : 1024 (32 ×× 32)32)

•• DimensioneDimensione pixel : 6.5 pixel : 6.5 ×× 6.5 mm6.5 mm22

•• Area Area rivelatorerivelatore: 21 : 21 ×× 21 cm21 cm22

•• Pitch = 6.6 mmPitch = 6.6 mm


PrototipoPrototipo

Informazione 2Informazione 2--DD

Camera Camera MonitorMonitor DosimetroDosimetro

Elettronica di letturaElettronica di lettura

Chip VLSI TERAChip VLSI TERA


Test prototipoTest prototipo

Precisione spaziale prototipo: 100 Precisione spaziale prototipo: 100 µµmm


Immobilizzazionedel paziente

INTEGRAZIONE INTEGRAZIONE -- TPSTPSPercorso di un trattamento adroterapico

localizzazionedel Tumore

posizionamentodel paziente

‘Quality assurance’& Verifica

ImagingImaging

Calcolo del piano ditrattamento

Trattamento


AtlanteAtlanteAtlante

Creare un atlante per la comparazione di Creare un atlante per la comparazione di differenti piani di trattamento utilizzando:differenti piani di trattamento utilizzando:

elettroni/fotonielettroni/fotoniprotoni protoni ioni Carbonioioni Carbonio

per il medesimo tipo di tumore.per il medesimo tipo di tumore.


AlcuniAlcuni puntipunti per per ilil futurofuturo

Computed Aided PositioningComputed Aided Positioning

IORT con IORT con adroniadroni

AcceleratoriAcceleratori linearilineari


TVC

Gantry

Couch

Sincronizzazione con il respiro

Computed Aided PositioningComputed Aided Positioning in in HadrontherapyHadrontherapy


Advanced techniquesAdvanced techniques: IORT: IORT

Electron energies: 3 Electron energies: 3 –– 9 9 MeVMeV

Mean dose rate: 6 Mean dose rate: 6 –– 30 30 GyGy/min/min

Irradiation time (21 Irradiation time (21 GyGy): 0.7 ): 0.7 –– 3.5 min3.5 min


LInearLInear BOosterBOoster

LIBOLIBO--30 scheme30 scheme

Module 30Module 30--40 40 MeVMeV

Prototype of Prototype of LIBO30LIBO30

30 30 MeVMeV

Output EnergyOutput Energy

200 200 MeVMeV

Total length = 15 mTotal length = 15 m

cyclotroncyclotronInput Energy Input Energy


Linear Linear BOosterBOoster

CERNCERN--INFNINFN--TERA CollaborationTERA CollaborationLIBO module testedLIBO module testedAt CERN and LNSAt CERN and LNS

73 MeV


EMERGENCYSHOWER

OFFICE

GAMMACAMERA 1

GAMMACAMERA 2

WAITING ROOM

INJECTION ROOM

PERSONNEL ACCESS

WC

OFFICE

AMBULATORY

WC

PHARMACY

OFFICE

WAITING ROOM

RADIOBIOLOGY

CTRL

DOSIMETRYROOM

CTRLCTRL

CAP

OFFICE

WAITING AREA

PATIENT ACCESS

CTRLROOM

BLOOD CONTROL

ROOM

OFFICE

PET DIAGNOSTICS

STO

RA

GE

DRESSING.ROOM

RECEPTION

CAPCTRL

WAITINGROOM

INJECTION ROOM

WOMENTOILET

MENTOILET

WC WC

PERSONNEL ACCESS

PET RADIOCHEMESTRY

STORAGE

PET QUALITY CONTROL

30 MeVCYCLOTRONCONTROL

ROOM

CTRL

EYEDRESSING

ROOM

DOSIMETRYROOM

CONTROLROOM

PETTARGET

CO

OLI

NG

MAINTENANCETECNICAL

ROOM

HOT LABORATORY

SOLIDTARGET

PET HOT LABORATORY

WC

WC

DRESSING.ROOM

OFFICE

OFFICE

OFFICEOFFICEOFFICE

OFFICE

ROOM 1

ROOM 2

ROOM 3

POWER SUPPLIES

SOURCES

Cyclone30Therapy

DiagnosticsIDRA

Studio Belgiojoso.


CLUSTER CLUSTER

module with module with one permanent one permanent quadrupolequadrupole

20 modules20 modulesto accelerate carbon ions from 30 to accelerate carbon ions from 30 MeVMeV/u to 350 /u to 350 MeVMeV/u (R= 20 cm)/u (R= 20 cm)

Total length for a 3 GHz structure = 32 mTotal length for a 3 GHz structure = 32 m

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