Centro Nazionale di ADROTERAPIA ONCOLOGICA · aumenta con il diminuire dell’energia della...

A Pavia, una buona scienza a servizio dell’uomo,

CNAOCentro Nazionale diCentro Nazionale di

ADROTERAPIA ONCOLOGICA

• Cosa sono gli adroni?• Come penetrano nel corpo?P hé ò l d ?

ACCELERATORIPER LA SALUTE:

• Perché si può curare un tumore con gli adroni?• Come si ottengono gli adroni?• Che tecniche si utilizzano?C i t t d P i ?

L’ADROTERAPIA

• Cosa si sta costruendo a Pavia?• Come funzionerà?

… risponde (o almeno ci prova!)p ( m p )Paolo Montagnaricercatore in Fisica Nuclearedocente di Fisica Medica nei corsi di laurea nelle Professioni Sanitarie Tecniche di R di i i à l di l i T i h di R di l i M die di Radioattività nel corso di laurea in Tecniche di Radiologia Medica

Liceo “Cairoli" Pavia marzo 2011 - 1 -Paolo Montagna

Introduzione all’adroterapia

Cosa sono gli adroni?Cosa sono gli adroni?

Adroni = particelle che risentono dell’interazione nucleare forte

di f tt n t tt

Gli “adroni” sono

elettrone “e”elettrone “e”… di fatto sono tuttele particelle presenti nel nucleo atomico: protoni e neutroni Gli “adroni” sono

fatti di quark

atomo

Gli “adroni” sonofatti di quark

atomo

protoni e neutroni in numero variabile

I d t iione carbonio =6 protoni + 6 neutroni

atomo

ione carbonio =6 protoni + 6 neutroni

atomoIn adroterapiasi utilizzano• Protoni

12 6protone o neutrone

quark “u” o “d”

protone o neutrone

quark “u” o “d”

• Ioni carbonio 12C6+

quark u o d



Le particelle nella materiaLe particelle nella materiaL ll h ( l l ) Le particelle cariche (elettroni, protoni, nuclei) penetrano nei corpi cedendo energia, grazie alle interazioni coulombiane con gli elettroni atomici della materia attraversataatomici della materia attraversata.Le particelle neutre (neutroni, fotoni) vengono invece assorbite in modo esponenziale.

I bi i i l’ ff è l i i i In entrambi i casi l’effetto è la ionizzazione e/o eccitazione degli atomi della materia (danno biologico cellulare).

Un fascio di particelle cariche percorre un tratto di strada ben preciso a seconda della sua energia. Un fascio di particelle neutrei di i i d l t di i t ità invece diminuisce gradualmente di intensità, ma è in grado di attraversare anche grandi distanze senza esaurirsi completamente (es. raggi X)

Liceo “Cairoli" Pavia marzo 2011

Paolo MontagnaIntroduzione all’adroterapia - 3 -

raggi X)

Gli adroni nella materiaGli adroni nella materiaQuando un adrone (particella carica pesante) entra nella materia viene progressivamente Quando un adrone (particella carica pesante) entra nella materia viene progressivamente rallentato da numerosi urti con gli elettroni atomici del corpo. La probabilità di tali collisioni aumenta con il diminuire dell’energia della particella. Quindi i fasci di ioni carichi perdono gran parte della loro energia cinetica iniziale in una zona relativamente stretta al termine del loro percorso (picco di Bragg) mentre l’energia rilasciata nel tratto iniziale è relativamente bassapercorso (picco di Bragg), mentre l energia rilasciata nel tratto iniziale è relativamente bassa.

GRAFICO

RILASCIO DI ENERGIA DI DIVERSE RADIAZIONI NEL TESSUTO BIOLOGICO

raggi X

PICCO DI BRAGG GRAFICOdella dose

assorbita (in %) in funzione

protoni in funzione

della profondità del tessuto

elettroni raggi gamma Gli adroni permettono di irradiare tumori profondirisparmiando le cellule sane!risparmiando le cellule sane!



Idea base dell’adroterapiaIdea base dell adroterapia

Gli adroniGli adronipermettono di

irradiare tumori profonditumori profondirisparmiando le cellule sane!



Adroterapia: come e perchéAdroterapia: come e perché[%

][%

]

Il picco di Bragg…si può “allargare”quanto necessario

La radioterapia convenzionaleutilizza elettroni e raggi XMa ci sono dei problemi:

a ef

fetti

va

a ef

fetti

va q

variando l’energia!!! • Gli elettroni non penetrano in profondità• I raggi X rilasciano alte dosi prima del

bersaglio, e dosi basse anche dopo• Entrambi hanno alta dispersione laterale

e bi

olog

ica

e bi

olog

ica • Entrambi hanno alta dispersione laterale

Con gli adroni si riesce a penetrare alla profondità desiderata variando l‘energiaottenendo un rilascio conforme alle

Dos

eD

ose ottenendo un rilascio conforme alle

dimensioni del tumorepiccopicco di Bragg di Bragg allargatoallargato

e rilasciando una dose inferiore prima d l i ll / i l d il i

Profondità in acqua [cm]Profondità in acqua [cm]del picco e nulla/piccola dopo il picco

Ioni carbonio 12C6+ rispetto ai protoni:Vantaggi: maggior LET, minor dispersione laterale minor dose prima del tumore

f l d d l Svantaggi: frammentazione nucleare maggior dose dopo il tumoreLiceo “Cairoli" Pavia

marzo 2011 - 6 -Paolo MontagnaIntroduzione all’adroterapia

Radioterapia e adroterapiaRadioterapia e adroterapiaGl d d

Photons ProtonsRaggi X ProtoniGli adroni permettono di • irradiare tumori profondi• in modo conforme

ll l di i ialle loro dimensioni• risparmiando le cellule sane!

Ma allora l’adroterapiapè sempre migliore della radioterapia?

NO, dipende…, p

L’adroterapia non sostituisce la radioterapia convenzionale, che anzi mantiene la sua validità per la maggior parte dei tumori, ma è un’arma in più a disposizione dei

d d l l l d l ò pazienti e dei medici in situazioni particolari. Solo valutando ogni singolo caso si può stabilire l’approccio terapeutico migliore, ed eventualmente l’opportunità di ricorrere

all’adroterapia. Questa potrà essere utilizzata in aggiunta o in sostituzione di trattamenti più tradizionali radioterapici chirurgici o farmacologicidi trattamenti più tradizionali, radioterapici, chirurgici o farmacologici.



Ma gli adroni dove li prendiamo?Ma gli adroni dove li prendiamo?

TIPO DI PARTICELLE:Elettroni, protoni, ioni pesanti

ENERGIA (i l l 1 V 1 6 10 19 J)ENERGIA (in elettronvolt: 1 eV = 1.6 ·10-19 J):Bassa (10-100 MeV), media (100 MeV – 1 GeV), alta (>1 GeV )

INTENSITA’INTENSITA’: N.particelle al secondo e al cm2

DUE CATEGORIE PRINCIPALIACCELERATORI

DUE CATEGORIE PRINCIPALI:A bersaglio fisso (elettrostatici o ciclici)A collisione (colliders)

DI PARTICELLE

ACCELERATORI CICLICILineari (per iniettare le particelle)Circolari (per raggiungere le energie desiderate)



Circolari (per raggiungere le energie desiderate)

Il ciclotroneIl ciclotroneIn campo magnetico, gli ioni carichi seguonotraiettorie circolari in due camere semicircolarichiamate D connesse a un potenziale oscillante.Quando gli ioni sono all’interno dei D sentono soloil campo magnetico e la loro traiettoria è circolare.Nel gap tra i due D vengono accelerati da un campoelettrico. Ad ogni semigiro il campo elettrico tra i Dviene invertito.

Forza di Lorentz F = qvB = mv2/r v = qBr/m

Energia massima: E = ½ mv2

limitata dal valore del raggio e del campo magnetico!… e se non basta?...



Il ciclotrone di PaviaIl ciclotrone di PaviaProduzione di radiofarmaci (18F) per la PET Produzione di radiofarmaci ( F) per la PET

presso il LENA dell’Università di Pavia www-1.unipv.it/cylena/

Inaugurazione9 luglio 20079 luglio 2007

Diametro esterno del magnete: 2 mAltezza totale: chiuso 2,22 m, aperto 2,87 mPeso: 22 TonnellateIoni: estratti: H+, D+; accelerati: H-, D-

E i i 18 M V d i 9 M VEnergia: protoni: 18 MeV; deutoni: 9 MeVNumero di porte per i bersagli: 8Fasci estratti contemporaneamente: 2Consumo di corrente: < 50 KWIntensità campo magnetico principale: 1 3 T



Intensità campo magnetico principale: 1,3 TRadiofrequenza: 10 KW a 42 MHz

Il sincrotroneIl sincrotrone

L’energia ottenibile mediante ciclotrone è limitata. Un aumento di energia richiederebbe dimensioni e costi enormi.

SINCROTRONEIdea: campo magnetico gradualmente crescente.

Le particelle percorrono la stessa orbita ma a velocità sempre maggiore.

L’orbita delle particelle è mantenutacostante, il campo magnetico viene applicatosolo sulla circonferenza. Ad ogni passaggio,l’energia aumenta, e anche il campomagnetico deve aumentare per mantenere ilraggio costante.

Teoricamente non ci sono limiti all’energia

salvo dimensioni e costi dei magneti



salvo dimensioni e costi dei magneti.

LHCLHC

Large Hadron Collider protoni-protoni (o ioni pesanti)Circonferenza 27 km - Energia massima 14 TeV = 1.4·1013 eVgInizio attività 10/09/08 - fascio singolo di protoni da 1 TeVInterruzione 19/09/08 - Ripresa 23/11/09

Prime collisioni 30/03/10 - due fasci di protoni da 3.5 TeV



r m co s on / / u fasc proton a .5 VNel 2010 raggiunti tutti gli obiettivi del 1° anno e verificata tutta la fisica nota del Modello Standard

Acceleratori eAcceleratori e…M lti i li i i

A tutta velocità Vittorio Giorgio VaccaroAcceleratori, non solo ricerca Crisostomo SciaccaSemplice come un’altalena Carlo Bernardini

Moltissime applicazioni pratiche: tecnologiche, industriali, mediche,…

Cellule e radiazioni Roberto CherubiniAcceleratori per la salute Ugo AmaldiDalla fisica alla medicina Vincenzo NapolanoGuarire con i protoni Giacomo Cuttone

INFN

Acceleratori per la salute

Parola all’oncologo Catia PedutoUn acceleratore “tascabile”

per l’adroterapia Luciano CalabrettaAcceleratori in farmacia Mauro Bonardi

INFNIstituto Nazionaledi Fisica Nucleare

Nata dalla ricerca al servizio della medicina Francesca Scianitti

Proiettili nel silicio Claudio PiemonteElettroni in tuta blu Amedeo Staiano

Rivista “Asimmetrie”n.6-2008

www asimmetrie it E luce fu Emilio BurattiniNeutroni, sonde e alchimia Paolo PieriniNotte bianca della ricerca Catia PedutoLa fisica, più magica

d

www.asimmetrie.it

Rassegna delle attualiapplicazioni industriali e mediche



di Harry Potter Bruno Arpaiadegli acceleratori di particelle

Adroterapia e come si fa?Adroterapia… e come si fa?Terapia con adroni =Terapia con adroni =

far giungere ai pazienti fasci di protoni o ioni carbonioalle energie opportune per 6-7 sedute da pochi minuti ciascuna.

N ll i i diCentri per l’adroterapia1) INIEZIONE linac: acceleratore lineareProtoni o ioni (da idrogeno o carbonio ionizzato) vengono accelerati

Nelle vicinanze dicentri ospedalieri!

Protoni o ioni (da idrogeno o carbonio ionizzato) vengono accelerati da un campo elettrico e introdotti nell’anello di accelerazione

2) ACCELERAZIONE sincrotrone: acceleratore circolareLe particelle vengono mantenute in orbita circolare e fatte girare a Le particelle vengono mantenute in orbita circolare e fatte girare a velocità sempre crescente per mezzo di un campo magnetico che aumenta gradualmente

3) ESTRAZIONE linee di fascio 3) ESTRAZIONE linee di fascio Sempre per mezzo di campi elettromagnetici, i protoni o ioni vengono fatti uscire dall’anello e inviati a una delle diverse sale di trattamento dove colpiscono il paziente, posizionato tramite congegni elettronici e monitorato onlineelettronici e monitorato online.



Il centro del centroIl centro del centro



Adroterapiapin Italia e nel mondo

IN ITALIAIN ITALIA• CENTRO DI PROTONTERAPIA ATTIVO A CATANIA• CENTRO CNAO IN COSTRUZIONE A PAVIA• CENTRO DI PROTONTERAPIA IN PROGETTO A TRENTO

NEL MONDO

CENTRI IN:• USA• GIAPPONE

SVIZZERA• SVIZZERA• CINA• GERMANIA• FRANCIAFRANCIA• COREA

40000 pazienti con p2500 i ti C2500 pazienti con C



Il centro di CataniaIl centro di CataniaA Catania (INFN – Lab Naz del Sud) A Catania (INFN Lab.Naz. del Sud) fascio di protoni da 62 MeV da ciclotrone superconduttore.

Dal 2002 al 2008 sono stati trattati 164 pazientiaffetti da particolari tumori dell’occhio a poca profondità affetti da particolari tumori dell occhio a poca profondità.

Primi dati pubblicati (2008) su 139 pazienti

Salvato l’occhio a 132 pazientiBuon controllo locale nel 95 % dei casi! Ass.ItalianaAsportato a 7 pazienti:1 per perforazione cornea

(non dipendente da terapia)1 per progressione locale del tumore

Ass.ItalianaFisica in Medicina, 2/2008

per progress one locale del tumore5 per danni radioindotti

Insorte metastasi a distanza in 12 pazientidi cui 6 poi decedutidi cui 6 poi deceduti.



1° in Europa: Heidelberg 20091 in Europa: Heidelberg 200905 11 2009 - Heidelberg Ion-Beam Therapy Centre (HIT) officially opened05.11.2009 - Heidelberg Ion-Beam Therapy Centre (HIT) officially openedThe Heidelberg Ion-Beam Therapy Centre (HIT) at the University Hospital of Heidelberg was officially opened on 2nd November 2009 by Minister President Günther H. Oettinger. The HIT in Heidelberg is the first radiation therapy facility in Europe that enables theThe HIT in Heidelberg is the first radiation therapy facility in Europe that enables the treatment of malignant tumours both with heavy ions and with protons. The centre’s rotatable gantry used for heavy-ion treatment is the only one of its kind in the world. So far, there are only around 30 ion-beam therapy facilities in the world, in the USA, Japan and Europe. The operating permit was officially handed over at the opening ceremony and the first patients will undergo treatment in the next few weeks.

Photos © University Hospital Heidelberg



Il CNAO di PaviaIl CNAO di Pavia

Centro Nazionale di Centro Nazionale di AdroterapiaAdroterapia OncologicaOncologica



Come funzionerà il CNAOCome funzionerà il CNAO

• Il centro CNAO dovrebbe entrare in funzione entro la fine del 2010• Funzionerà in day-hospital• L’80% dei trattamenti sarà con ioni carbonio, il 20% con protoni

C l d d l f à h• Ci saranno tre sale di trattamento; in una di esse il fascio arriverà ancheverticalmente

• Per l’iniezione si utilizzerà un unico acceleratoreLINAC sia per protoni che per ioni carboniop p p

• Il sincrotrone ha diametro di 25 metri• Le sorgenti e l’iniettore sono sistemati all’interno

del sincrotrone• Attraverso un sistema di magneti gli adroni• Attraverso un sistema di magneti, gli adroni

accelerati alle energie necessarie verrannoestratti dal sincrotrone e deviati in una delletre sale di trattamento

113322

113322

• In una seconda fase si allestiranno altre salesperimentali per attività di ricerca con gli adroniin radiobiologia nei tempi di non utilizzo clinico

25 m25 m25 m25 m



Visita al CNAOVisita al CNAOhttp://server11.infn.it/video/multimedia/foto/cnao2009/index.htm

Foto febbraio 2009



Prospettive clinicheProspettive clinicheO i i d à L’80% delle sedute saranno dedicate al

trattamento con ioni carboniodi tumori radioresistenti

( l i f

Ogni sessione durerà 20-30 minuti.

A regime (2013?) si potranno tenere (es. polmoni, pancreas, fegato,

tiroide, distr.cervicale), cioè difficilmente aggredibili l di t i t di i l

si potranno tenere circa 19000 sessioni

di trattamento all’anno (6-7 sedute ciascuno

)con la radioterapia tradizionale. per 3500 pazienti)



A che punto siamo?A che punto siamo?

18 gen.2010: Visita ministri Fazio, Tremonti, Bossi

15 feb.2010: Inaugurazione “politica”

2010Qualificazione del fascio: test di energie e posizionamento nelle sale di terapie

2011Studio radiobiologico: irradiazione di cellule animali (sperimentazione su mille topolini)irradiazione di cellule animali (sperimentazione su mille topolini)

Fine 2011?Inizio sperimentazione clinica su 150 pazienti



Inizio sperimentazione clinica su 150 pazienti

In conclusioneIn conclusione…Il CNAO h t n nd è n d i p hi nt i l m ndIl CNAO che sta nascendo è uno dei pochi centri al mondo

in cui verrà effettuata la terapia oncologica con ioni carbonio.

Vi si potranno curare circa 3500 pazienti all’anno tra quelli p p qche non hanno molte speranze di guarire con le altre terapie.

Pavia avrà un centro di assoluta eccellenza a livello mondialein un ambito scientifico di enorme utilità sociale in un ambito scientifico di enorme utilità sociale

ed estremamente multidisciplinare, dove la Fisica si pone al servizio della Medicina utilizzando

le più sofisticate tecniche dell’Ingegneriale più sofisticate tecniche dell Ingegneria.

Inoltre - non ultimo… - il CNAO offrirà numerosi posti di lavoroestremamente specializzato e stimolante a molti fisici,

ingegneri, medici oncologi, tecnici di radiologia medica, biologi,…

… e poi dicono che la ricerca scientifica non serve a niente…… mah…!



Questa presentazione è online sul sito http://www.pv.infn.it/~montagn1/

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