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

Collocazione finale (presso IFO)

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