Simona Giordanengo - INFN Torino

Adroterapia a CNAO (Centro Nazionale di Adroterpia Oncologica)

Parte II

XXII GIORNATE DI STUDIO sui RIVELATORI

Torino 12 Giugno 2012

Sommario

• PARTE II

– Adroterapia in Italia (CATANA, ATreP)

– CNAO

• Disegno e sviluppo

• Commissioning (acceleratore, dose delivery e

integrazione sottosistemi)

• Inizio attività clinica

• Sequenze “paziente”

• Primi risultati

Adroterapia in Italia - Numero di potenziali pazienti

X-Ray therapy (fotoni 5 – 20 MeV)

Nuovi pazienti per anno: 120'000 pts/y

Protoni

Categoria A: elective patients = 1'000 pts/y

(Commission Ministry of Health – Year 2009)

Categoria B: good indications = 12'000 pts/y

Ioni Carbonio

% tumori radioresistenti 1'500 pts/y

1 centro doppia particella (p and C): CNAO

Possibilmente 1 centro di protonterapia ogni 10 M

abitanti

ITALIA: 60 MILIONI ABITANTI

Courtesy of S. Rossi- CNAO

ELECTIVE INDICATIONS FOR PROTONTHERAPY IN ITALY

Patology Patients per

year

Potential patients for protons

Patients per year Percentage to be

treated with

protons

Uveal melanoma 310 310 100%

Chordoma of the skull

base and spinal cord 45 45 100%

Chondrosarcoma of

skull extremities and

trunk

90 90 100%

Meningioma of skull base 250 125 50%

Paraspinal tumours 140 140 100%

Schwannoma of cranial

nerves 300 45 15%

Adenoma of hypophysis 750 75 10%

Pediatric solid tumours 960 144 15%

TOTAL 1885 974

Courtesy of S. Rossi- CNAO

CATANA

Scattering

systemModulator &

Range shifter

Monitor

chambers

Light

field

LaserSecond foil

First foil

Scattering

systemModulator &

Range shifter

Modulator &

Range shifter

Monitor

chambers

Light

field

Laser

Light

field

Light

field

LaserLaserSecond foil

First foil

~300 pazienti dal 2002

Trattamenti di

tumori oculari

con protoni

Ciclotrone

p - 60 MeV

Laboratori Nazionali del Sud, INFN

2 sale di trattamento

entrambe con Gantry

ATreP (Agenzia Provinciale per la Protonterapia) (Trento)

ATreP (Trento)- Avanzato stato di costruzione

•Stato a Maggio 2012 cyclotrone installato

linea estrazione installata

Gantries pronti per essere

montati

tra poco fascio in macchina

Dic 2, 2009: contratto IBA e ATreP

≈ Maggio 2013: test di accettazione sul Gantry1

≈ Ottobre 2013: test di accettazione sul Gantry2

8

Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica

CNAO - Pavia

Dalla proposta di Ugo Amaldi e Giampiero Tosi (1991) di un

centro di Teleterapia con adroni

Primo centro italiano dedicato a:

• Trattamento di pazienti con

ioni carbonio e protoni

• Ricerca clinica e radiobiologica

24 settembre su “La Provincia Pavese”

Sala di trattamento – paziente posizionato

GSI Linac LINAC 0.4 - 7 MeV/u H3+ 0.4 - 7 MeV/u C4+

RFQ 0.008 - 0.4 MeV/u H3+ 0.008 - 0.4 MeV/u C4+

Treatment

Rooms

Synchrotron

Ion Sources 0.008 MeV/u H3+ 0.008 MeV/u C4+

I ~ 0.7 mA H3+ I ~ 0.2 mA C4+

7-250 MeV p 7-400 MeV/u C

I ~ 0.1-6 mA (p) I ~ 0.03-1.5 mA (C)

High Energy

Transfer Lines

60-250 MeV p 120-400 MeV/u C

< 1010 p/spill (~2nA) < 4 108 C/spill (~0.4nA)

12

Sala Sincrotrone

DIPOLI

LPSC

Permette una rapida INTERRUZIONE e RIACCENSIONE del fascio

(tempo di chiusura dipende dalla particella ma sempre < 200 us)

Sicuro (Beam ON solo a correnti

opportune)

Consente di qualificare il fascio

Chopper

Viene utilizzato per ampie distanze tra gli

spot

Sarà utilizzato per la sincronizzazione con il

respiro del paziente nel trattamento di

tessuti in movimento

Ciclo campo magnetico dei dipoli

Spill completo (1 sec) Spill interrotto

col Chopper 3 sec di interspill

15

y

x

z

Isocenter

Scanned

Field

y

x

z

Isocenter

Scanned

Field Scanning

magnets Protons,

Carbon ions

Scansione Quasi-discreta (CNAO)

• Distanza tra 2 Spot ~ 1/3 FWHM del fascio

• Viene rilasciata dose residua tra gli spot (trascurabile per step corti, alta

velocità di scansione e intensità di fascio cliniche (~ 109protons/sec)

Al raggiungimento della dose richiesta su uno spot, il fascio

viene rapidamente spostato sullo spot successivo senza

spegnere il fascio

Flu

ence

Spot position

Distanza tra spot

Dose residua

16

Nozzle and monitor system

z

E0<E1<…<En

Isocenter

Scanning magnets

UniTo - INFN – CNAO : Dose Delivery System

Disegno Sviluppo Costruzione

Sistema di distribuzione e monitoraggio on-line del fascio

17

Interfacce del Dose Delivery

FAST CONTROL

Beam

monitors

BOX 1 BOX 2

Treatment

Planning System

Accelerator

Timing System

General Control

System

Interlock System

(Patient safety)

Treatment

Console

Chopper

(Beam Off)

Scanning Magnets

BOX 1 BOX 2

INT-1 INT-2 STRIP-x STRIP-y PIXEL

128 V strips

Strip e Pixel

Area sensibile 21x21 cm2

1024 pixels 128 H strips Sensitive area

24x24 cm2

Strip X

pitch 1.65 mm Strip Y

pitch 1.65 mm Pitch 6.6

mm

Gap tra elettrodi 5 cm

Monitor del Dose Delivery

1 MHz Integrale

10 kHz strip/pixel

19

En

• Monitorare on-line il fascio (fluenza,

posizione e dimensione)

• Impostare la corrente ai magneti di

scansione spot per spot

• Correggere on-line la posizione

(operazione di feed-back)

• Fermare il fascio slice per slice o in

caso di interlock (impulso al Chopper)

Quando il fascio è nel paziente, il DD deve…

BOX 1 BOX 2

PS PS

Slice

Spot

trattati

Fast Control DAQ

Monitor di intensità

e di posizione Magneti di scansione

IDD

IDD

IPS

IPS

FPGAs

20

TREATMENT LOADING and TRANSLATION

START SPILL

LOGFILE

YES

NO

DATA STORAGE

END of SLICE or SPILL

NO

YES

WAIT NEXT TREATMENT

End of Slice

End of Treatment

Sequenza di trattamento

21

Le posizioni del fascio per ogni spot,

calcolate dal TPS vanno convertite dal

DD in coordinate delle camere a strip

e correnti dei magneti.

Per ogni spot: (En, Np, X, Y)

(conteggi, xstrip, ystrip, Ix, Iy)

Il numero di particelle viene

convertito in conteggi delle camere a

ionizzazione (monitor di intensità)

Caricamento e conversione dati trattamento

TREATMENT LOADING and TRANSLATION

START SPILL

LOGFILE

YES

NO

DATA STORAGE

END of SLICE or SPILL

NO

YES

WAIT NEXT TREATMENT

End of slice

End of treatment

Con opportune

calibrazioni

22

Dopo un segnale dal sistema di timing

(trigger dal sistema di

sincronizzazione della macchina)

inizia lo spill (estrazione particelle)

insieme all’acquisizione dei monitor

di fascio.

START SPILL

TREATMENT LOADING and TRANSLATION

START SPILL

LOGFILE

YES

NO

DATA STORAGE

END of SLICE or SPILL

NO

YES

WAIT NEXT TREATMENT

End of slice

End of Treatment

Durante lo SPILL per ogni spot DD conta le particelle,

DD controlla la posizione del fascio

DD correggerà le correnti quando

necessario (feed-back sulla posizione).

ALLA FINE DI OGNI SPOT DD trasmette il riferimento di corrente

del nuovo spot all’alimentatore dei

magneti

END SLICE or TREATMENT

FINE SLICE e SPILL DD stop a monitor DAQ

DD salvataggio dati

DD pronti per un nuovo spill

FINE TRATTAMENTO

DD crea “logfiles” e li

trasmette al General Control

System

DD pronto per un nuovo

trattemento

23

TREATMENT LOADING and TRANSLATION

START SPILL

LOGFILE

YES

NO

DATA STORAGE

END of SLICE or SPILL

NO

YES

WAIT NEXT TREATMENT

End of Slice

End of Treatment

Filmati trattamento in sala controllo locale

http://personalpages.to.infn.it/~giordane/videoDDdata-CNAO/

Alcuni risultati preliminari sulla misura di particelle

0.1% of spots -

0.05% of protons

97% of spots –

99% of protons

0.2% of spots

and protons

97% of the spots are within ±2.5%

(green region), which contain more

than 99% of the delivered protons.

Overdose (red region) and underdose

(orange region) occurs in less than

1‰ and 0.2% of the spots

respectively.

Alcuni risultati preliminari sulla misura di posizione

Standard deviation of horizontal (white) and vertical (red)

measured positions in 23 consecutive fractions

only spots with > 1000 counts are considered

Le fasi CNAO dal 2002

Fase 1: Costruzione Years: 2005 - 2009

Fase 3: Sperimentazione

Approvata dal Ministero della Salute e Regione Lombardia

OBIETTIVO:

• Caratterizzazione Dosimetrica

• Caratterizzazione radiobiologica

• Trattamento primi pazienti

Years: 2010 - 2012

Fase 0: Organizzazione Years: 2002 - 2004

Courtesy of S. Rossi- CNAO

Primavera – Estate 2011 a CNAO

Commissioning sottosistemi:

• Timing,

• Sistema di Controllo,

• Dose Delivery,

• Sistemi di interlock Macchina e Pazienti,

• Procedure di accesso,

• Interfacce Hardware e Software,

• Installazione e verifiche dell’ Oncological

Information System (Elekta USA)

• Commissioning Treatment Planning System

Primavera – Estate 2011 a CNAO

Commissioning sottosistemi:

………debug, test, verifiche, controlli,

……..giorni e notti in sala controllo

…..problemi….

SOLUZIONI

Giuseppe Garibaldi dipinto dal

fascio di CNAO su una pellicola

radiografica

Aprile 2011

Il 2011 al CNAO

22 Settembre 2011

Primo campo su paziente

Irraggiamento linee cellulari con Protoni

Courtesy of S. Rossi- CNAO

RBE = 1.1

Courtesy of S. Rossi- CNAO

Thermoplastic mask with byte and IR reflecting markers

Courtesy of S. Rossi- CNAO

Presente e futuro a CNAO

A regime si vorrebbero trattare 2500 pazienti all’anno e

la maggior parte con ioni carbonio

CNAO attualmente ha concluso il trattamento di 14

pazienti e ne sta trattando altri 6 con protoni nella

prima sala;

dopo l’estate inizierà a trattare in 2 sale;

a fine anno inizieranno i trattamenti con ioni carbonio;

Oggi… da lunedì a venerdì a CNAO

~90 dipendenti oggi

Acceleratore acceso 24 /24 h 7/7 g

• h 6-8 Misure di qualità del fascio

• h 8-13 Trattamento 6-7 pazienti

• h 14-6 + sab-dom

Commissioning Carbonio e altre sale- Calibrazioni-

Misure-Verifiche sottosistemi

Futuro: strategia CNAO

per la compensazione del movimento organi

Target

Organ

Motion

Compensator

DD

system

Stop

del

fascio

con il

chopper

Magnet

System

Cntrl

Custom

protocol

OTS

software

Magneti di

scansione

Custom

protocol

ΔX,ΔY,ΔZ

ΔZ troppo

grande

Politecnico di Milano

INFN Torino,

Progetto Europeo ULICE

Markers esterni

Interfaccia OTS - Magneti

RICERCA A CNAO

Experimental Room

2013

Linea dedicata alla ricerca in fisica

e radiobiologia

Courtesy of S. Rossi- CNAO

• 3 ion sources for phase 1 (one additional source possible)

• Pre-accelerator – RFQ & IH Linac

• Main accelerator – synchrotron (77 m circ.) CNAO/CERN/PIMMS design

• Extraction line

• Irradiation rooms: research: horizontal, medical: horizontal & vertical, horizontal, proton-gantry

Med-Austron (Centro di Adroterapia Austriaco)

GIUGNO 2012

Med-Austron ha acquistato il Dose Delivery CNAO

Monitor Software +

Ditta di software

italiana che si sta

occupando della

certificazione del

Software

2 spin off per l’Adrioterapia

(dal gruppo TERA dell’UniTO e INFN TO)

Anno costituzione 2009

http://p-therapie.web.psi.ch/e/index.html

Grazie per l’attenzione

http://www.cnao.it/

http://ptcog.web.psi.ch/

http://www.youtube.com/watch?v=PPMGee6OEw4

http://www.youtube.com/watch?v=gfabu3fwrtQ&feature=

related

Risultati clinici (Protoni)