1 Confronto fra il sistema Acceleratore lineare convenzionale e il sistema HI ART (Highly Adaptive RadioTherapy) della TomoTherapy 1. Premessa Cercheremo di trattare il complesso argomento inserendo delle parti propedeutiche (in corsivo) in modo che laletturapossarisultarecomprensibileanchedapersonechenonlavoranonelsettorespecificodella radioterapia; queste parti potranno essere saltate dagli specialisti del settore. 1.1. Il percorso del paziente che effettua un piano di trattamento in Radioterapia con fasci esterni Il paziente, al quale stato diagnosticato un tumore curabile con la radioterapia con fasci esterni, entra nel reparto di radioterapia e dopo una prima visita del radioterapista, effettua una seduta di simulazione, con un apparecchioradiografico,dettosimulatore,omeglioconunapimodernaTACconprogrammadi simulazione virtuale. Nella seduta di simulazione viene effettuata la centratura geometrica del paziente ossia vengonopostideireperi(solitamentetatuaggiconuninchiostroindelebile)sullasuperficiedelcorpoin corrispondenzaallaposizioneinternadeltumore,repericheservirannoperlagevoleposizionamentodel paziente sulla macchina per terapia (lacceleratore lineare). Sul simulatore si simula anche la balistica delle successive sedute di trattamento. Un processo analogo avviene nella TAC dove si effettua una simulazione conunimmagineradiograficaricostruitadettaDRR(DigitalReconstructedRadiograph)edilprocesso prende il nome di simulazione virtuale, appunto perch avviene attraverso una TAC e non con il simulatore reale. Entrambe le macchine servono a simulare il trattamento prima che questo avvenga con radiazione abenpialtaenergiaconlamacchinaditrattamento(acceleratorelineare).Successivamente,basandosi sulleimmaginedelsimulatorevirtualevieneelaboratoconunappositocalcolatore,dettoTPS(Treatment Planning System), un piano di trattamento in modo da determinare la forma e la posizione dei fasci radianti in base alla distribuzione di dose che si vuole ottenere. Questo processo comporta una notevole impiego di tempo per il paziente. La sola seduta di simulazione, a seconda dei casi ha una durata, dai 20 ai 45 minuti e poi la seduta di trattamento fatta in tempi diversi (solitamente dopo 15 giorni) dura almeno altri 15min. Per effettuare un trattamento completo occorre un numero elevato di sedute che vanno dalle 25 fino alle 35, fatte normalmente per 5 giorni/la settimana per 4 7 settimane. 1.2. Breve descrizione del sistema acceleratore lineare o Linac ( Linear Accelerator)( fig.1 2) fig.1fig.2 Gli acceleratori lineari, spesso chiamati linac ( linear accelerator) sono sistemi che producono radiazioni di elevata energia a scopi terapeutici. PerprodurrelaltaenergiadiraggiX(fotoni),glielettronivengonoacceleraticonmicroondeadalta frequenzainunaguidadonda.Lasorgentedielettroniuncannoneelettronico.Unsolenoideservea focalizzare il fascio di elettroni mentre passa nella guida donda (RF) che accelera gli elettroni fino quasi alla 2 velocit dellaluce. Gli elettronivengonopoi diretticontro un targetdi tungsteno che produce raggiX per il fenomeno del bremssthralung con uno spettro polienergetico caratteristico. I fasci di elettroni ad alta energia sonoprodottiinmanieradifferentefacendolicollidereconunoscatteringfoil,cheallargailfascio focalizzato per consentire il trattamento del paziente. Il range di energia dei fasci di fotoni X compreso fra 4 e 25 MV con differenti energie di elettroni. I principali componenti dello stativo di un acceleratore lineare sono: (fig.2): Cannone elettronico: la sorgente di elettroni che vengono iniettati nella guida donda Guida donda : alimentata da una sorgente di radiofrequenza (magnetron o klystron) Testata di trattamento : contenente i collimatori per la conformazione del fascio, le camere di ionizzazione per ilmonitoraggio delfascio, il targetperla produzione difotoniX, il filtro equalizzatore (o flattening filter) per ottenere un fascio con intensit uguale lungo il suo profilo. Il gantry progettato con la testata di trattamento posta alla sua estremit. Esso ruota, mediante cuscinetti, diunangoloinferiorea360 perchilmovimentodirotazionevienelimitatodallalunghezzadeicavidi interconnessione,checolleganoapuntifissi,ivaricomponentidelgantry;diconseguenzailgantry costretto a tornare indietro quando ha percorso la rotazione massima di 360.Il gantry e il fascio radiante ruotano attorno ad un punto dello spazio, chiamato isocentro, che coincide anche con il centro del tumore da trattare e che viene definito da laser montati a parete e a soffitto.Nellaradioterapiaconvenzionaleilgantrystatoprogettatoecostruitoperemettereradiazionisecondo diverseangolazioni(portedingressodeicampifissi)esoloraramentepercorredellependolazioni (arcoterapia), mai delle rotazioni continue.Accanto alla sala di trattamento vi un locale tecnico che alloggia i seguenti componenti principali: Modulatore: che lelemento intermedio fra lalimentazione elettrica di rete e la sorgente di radiofrequenza. Klystron o Magnetron: la sorgente di radiofrequenza che normalmente viene isolata con olio come un tubo a raggi X. Guida donda: che convoglia londa di radiofrequenza al gantry Circolatore:cheisolalasorgentedimicroondedallemicroondechevengonoriflesseindietro dallacceleratore Sistemadiraffreddamentochedissipailcaloreprodottodallacceleratoreeassicuralastabilitdella temperaturadelsistema.Funzionacomescambiatoredicaloreevienealimentatoconacquacorrentea perdere. 1.3. Situazione attuale della radioterapia Nellultimo decennio le apparecchiature di radioterapia hanno avuto una notevole evoluzione tecnologica con lintento di rendere sempre pi efficace il trattamento radiante con fasci esterni. In particolare si cercato di otteneredistribuzionididosesemprepiconformateallalesioneneoplasticainmododasomministrareal tumoredosimoltoelevate,aumentandocosleprobabilitdicontrollolocoregionaledellamalattiae riducendo, nello stesso tempo, le probabilit di insorgenza di complicanze ed effetti collaterali ai tessuti sani. fig.3fig.4 ConlarealizzazionedelMLC(MultiLeafCollimator),(fig.3)accantoalletecnichediirradiazione conformazionali(3DCRT),(fig.4)chepermettonodiadattareladistribuzionedidoseatutteleforme convesse del tumore, hanno avuto un grande sviluppo le tecniche di irradiazione con fasci modulati (IMRT IntensityModulatedRadiotherapy),(fig.4)chepermettonodicambiarenonsolamentelaforma,maanche lintensit del fascio radiante, secondo determinate porte di ingresso, in modo da conformare la distribuzione di dose anche alle forme concave della lesione.3 Questetecnichesonostateresepossibiligrazieallevoluzionedellinformatica.Inparticolaresisono perfezionati i sistemi di calcolo della distribuzione di dose che passano da un metodo diretto, con tentativi diottimizzazionedapartedelloperatore,aunmetodo"inverso"nelqualel'utentefissasemplicementela dosealbersaglioedilimitididoseagliorganicriticielelaboratoredcomerisultatolasequenzadi erogazione di radiazioni che permette di conseguire gli obiettivi prefissati. Nellotticadiaumentareilgapdellecurvedose-rispostatrailtumoreegliOAR(OrganiARischio), successivamente,siaumenta, nella IMRT, ilnumerodi fasci elementari (beamlet beamelement) dicui composto il fascio principale e il numero delle porte di ingresso per raggiungere sempre pi elevati gradi di libert,peradattarsiallelesioniconformemoltocomplesse(inparticolareconcave,conorganisensibili racchiusi nella concavit della lesione) e per generare gradienti di dose sempre pi elevati.Sono sorte come miglioramento dellIMRT le tecniche di irradiazione ad arco : IMAT: Intensity Modulated Arc Therapy e VMAT: Volumetric Modulated Arc Therapy. Questimiglioramenti,sianellacapacitdiconformazionechenellaquantitdidosesomministrata,hanno portatocomeconseguenzaastudiarenuovimezzipercontrollareilposizionamentodelpazienteeil movimentodegliorganifraunasedutaditrattamentoelaltra(interfraction)edurantelasedutastessa (intrafraction). Infattilaprecisionedellirradiazionevienelimitatadallacapacitdellimagingdirappresentareilpaziente durantelaprimaelesuccessivesedute.Lorganopucambiarelesuedimensioni,lasuaformaelasua posizionedigiornoingiornoedisettimanainsettimana.Leinformazionimorfologicheediposizionedel paziente,chepossonoessereottenuteimmediatamenteprimadeltrattamento,sonoestremamente preziose. Questanecessitdiprecisionenellimagingperlaradioterapiahaportatoallosviluppodelletecnichedi Imaging integrato e soprattutto allo sviluppo delle tecniche di Image Guided RadioTherapy (IGRT) PiprecisamentelaIGRTunatecnicadiimagingdelpaziente,effettuatanellasaladitrattamento, generalmenteprima,maancheduranteedopoiltrattamento.Limmagine,acquisitanellasaladi trattamento,vieneconfrontataconlimmaginediriferimentoottenutanormalmenteunaquindicinadigiorni primadeltrattamentoesuccessivamenteusataperlelaborazionedelladistribuzionedidose.Datale confrontosiricavanolecorrezioniperilposizionamentodeltavoloportapazientecheconsentonodi mantenereallalesioneeagliorganicriticicircostanti,chenelfrattempohannosubitodellevariazionidi posizione e di forma, la stessa distribuzione di dose che era stata calcolata in precedenza. LaIGRThalafunzionedicorreggereilset-upinizialeallaprimasedutaenellesuccessive(imprecisioni dovutesiaaerrorigeometricisiaamovimentodegliorganicheavvengonofraunasedutaelaltra- interfraction). Tale funzione viene svolta prima od eventualmente dopo il trattamento (come verifica). Come conseguenza la IGRT pu: farevitareerroribalistici,consovradosaggiodegliorganicriticiecontemporaneosottodosaggiodella lesione neoplastica .ridurreimarginidelPTV(PlanningTumorVolume)conminoricomplicazioni,soprattuttonelcasodi movimentodegliorgani.Nonsonoinfattiletecnichediirradiazione(3DCRT,IMRT)cheriduconoi margini, ma la conoscenza esatta del movimento del tumore in ogni seduta di irradiazione che permette di ridurre i margini del PTV. ridurre gli effetti tossici delle radiazioni ai tessuti sani circostantiLIGRTelIMRThannoinoltreresopossibilelasperimentazionedellipofrazionamento,nelquale,anzich somministrarealpaziente2Gyasedutaperleclassiche30o35seduteperuntotaledi6070Gya trattamento, si tende ad aumentare il numero di Gy per sedutae si riduce il numerocomplessivo di sedute con ovvi vantaggi di ordine clinico, logistico e socio economico. Sononatesuccessivamenteancheletecniche4Dperilcontrollodelmovimentodeltumoreintrafraction (dove la quarta dimensione sta a significare il parametro tempo).Recentemente viene anche realizzata, la DGRT (Dose Guided Radiation Therapy) che consente di adattare il piano di trattamento (adaptivetherapy) durantele successivesedutenonsolamente daunpunto di vista balistico, ma anche da un punto di vista di distribuzione di dose. 1.4. Nuove funzionalit aggiunte allacceleratore lineare LenuovefunzionalitdiIMRT,IMAT,VMATsonoottenuteaggiungendoallastrutturaclassica dellacceleratore lineare il collimatore multilamellare comandato da sistemi computerizzati aggiuntivi. Parimenti la funzionalit IGRT (Image Guided Radiotherapy) si ottiene aggiungendo un sistema costituito da un tubo a raggi X ed un rivelatore al silicio amorfo contrapposto, montati rispettivamente su 2 bracci robotici, solidali al gantry. La IGRT funziona su un asse disposto a 90rispetto allasse di irradiazione terapeutica. LaverificadelposizionamentodelpazientesieffettuainvececonundispositivodenominatoEPID (ElectronicPortalImagingDevice)cheposizionatoinposizionecontrappostaallassedelfascio terapeutico, costituito anche da un rilevatore per limaging. 4 Ne risulta un sistema estremamente pesante e complesso da gestire e da controllare.(fig. 5- fig.6) fig.5 fig.6 EPID Tubo Rx Rivelatore aSi Testata Linac 5 1.5. Breve descrizione del sistema HI ART (Highly Adaptive Radiotherapy) Perovviareallecarenzeeallecomplicazionidellacceleratorelineareconvenzionalevenneprogettatoun sistemaexnovodaungruppodiricercatoridelluniversitdiMadisonnelWisconsin,cheebberolidea genialediinserirenelgantrydiunaTACunacceleratorelineareedeffettuareconlostessosialimaging IGRT che lirradiazione terapeutica IMRT. Descriveremo qui di seguito brevemente questa nuova macchina rivoluzionaria nel campo della radioterapia fig. 7fig.8 1.5.1.Componenti del sistema HI ART Stativo,(fig.7,8)nelqualeruota,contecnicaslipring,unacceleratorelinearee,inposizione contrapposta, un banco ad arco di rivelatori allo Xenon. Il suo vano daccesso ha un diametro di 85 cm. Acceleratorelineare(fig.9)S-band(3Ghz),conemissionedisolifotoniX,conunospettrodienergia nominale di 6 MV (corrispondente ad una energia media equivalente di 1,5 MeV) durante il trattamento e con unospettrodienergianominaledi3,5MV(corrispondenteadunaenergiamediaequivalentedi1MeV) durantelImaging.Lenergiadi6MVquellapifrequentementeusataepiindicatapereffettuare trattamenti IMRT . LacceleratoredelsistemaHIARTnonhailfiltroequalizzatore,perchilsuccessivocollimatore multilamellare consente, se necessario, di ottenere un profilo di fascio perfettamente piatto.Il dose-rate variabile fra 800 cGy/min e 1000 cGy/min, Collimatoriprincipali(Fig.8),inlegaditungstenoal95%,hannounaformaaconchigliaperottenereil massimo effetto schermante con la massima compattezza e riduzione del peso. Lo spessore di schermatura dei collimatori principali di 23 cm. (lungo lasse Z IEC, antero-posteriore). Lapertura, (lungo lasse Y-IEC cranio-caudale)consentetrespessorifissidelfasciodi1cm.,2,5cm.e5cm.(alivellocollimatore)con possibilit di generare un fascio di spessore massimo, a livello isocentro, di 6 cm. La larghezza massima del fascio a livello isocentro di 40 cm (lungo lasse X IEC, latero-laterale). Il leakage medio fuori dal campo inferiore allo 0,01%, mentre il valore richiesto dalle raccomandazioni internazionali dello 0,1% . Collimatoremultilamellare(MLC)(Fig.10)ditipobinario(conlamellesoloinposizioneapertaochiusa secondo la direzione dellasse Y), dotato di 64 lamelle, con spessore (nella direzione dellasse Z) di 10 cm., dilarghezza(nominale)allisocentro(nelladirezionedellasseX)di0,625cm,congeometriaTongue-Groove, con tempi di apertura - chiusura inferiori a 25 msec (per coprire uno spazio 5 cm). Mackieeal.hannopresentatounadescrizionedettagliataelagiustificazionedellasceltadellospessore dellelamelle.Lospessoredi10cmdellalamella,(inlegaal95%ditungsteno),riduceilleakagedel collimatoremultilamellarebinarioavaloriinferioriallo0,3%intraleafeinferioriallo0,5%interleaf(neiMLC convenzionalinormalmente compreso fra 1,5 e3,5% ).Inoltre il MLCdella tomoterapia elicoidale non ha radiazione di fuga causata dalla chiusura contrapposta delle lamelle, tipica dei MLC tradizionali. Shepardeal.hannodimostratochelalarghezzadi0,625cm.allisocentroconsenteunamigliore omogeneit di dosee unamaggiore avoidance rispetto ad unalamella di larghezza 1 cm.eche non vi alcun beneficio nel ridurre la larghezza delle lamelle a 0,2 cm. Il funzionamento ad aria compressa. 6 fig.9 fig.10fig.11 Sistema di raffreddamento ad acqua (a circuito chiuso). Lettino (fig. 11) con pianoportapaziente piatto in fibra di carbonio,di tipo indexed, con portata massimadi 200Kg,dotatodiescursionelongitudinaledi160cm.(lungolasseY,adaltezzaisocentro),diescursione verticale (lungo lasse Z), laterale (lungo lasse X), di movimenti di rotazione, inclinazione e orientamento. Il movimento longitudinale del piano portapaziente del lettino sincronizzato con il movimento di rotazione del gantry in base al valore del pitch. Set di 764 rivelatori (fig.8) costituiti da camere di ionizzazione con sottili pareti di separazione in tungsteno, con riempimento allo Xenon, montatiin posizione contrapposta alla sorgente radiante e disposti su un arco di larghezza 120 cm. (lungo lasse X) e profondit di 10 cm. (lungo lasse Y). Beamstopper (fig.8)montatoinposizione contrappostaallacceleratorelineare,con la duplicefunzionedi equilibraregli altri componenti rotanti e di schermare completamente il fascio primario con uno spessoredi 13 cm. di Pb (riducendo cos lo spessore delle pareti del bunker) Sistemadilaser:2fissiperfacilitareilposizionamentoinizialedelpazientesullettinoe5mobiliper indicare il posizionamento dello stesso dopo la registrazione con la TomoImage (ossia le immagini ricostruite dalla MV TAC). Stazionedelloperatore(fig.7),situataallesternodellasaladitrattamento,caratterizzatadaCPUIntele sistemaoperativo Microsoft Windows,utilizzatacome interfaccia alsistema per le procedure di taratura,di acquisizione,controlloemonitoraggiodelleTomoImage,perlaregistrazioneedilposizionamentodel pazienteeperlediversefasideltrattamento.Ecostituitadalcomputer,dalmonitor,dallatastiera,dalla stampante e dalla connessione di rete. Consolle di stato per attivare la modalit di erogazione, imaging o trattamento, completa di pulsanti di stop e di emergenza. Sistemaperlelaborazionedelpianoditrattamento(fig.7)perdefinireleregionidiinteresse,la prescrizione,lottimizzazioneepervisualizzareledistribuzionididose.Ecostituitodalcomputer,dal monitor, dalla tastiera e dalla stampante. Caratterizzato da CPU Intel, sistema operativo Microsoft Windows, interfacciaperloperatoreJava.MetododicalcoloInversepergeometriaelicoidale(conpossibilitdi definire valori di spessore del fascio, pitch e MF = Modulation Factor). RackElettronico(fig.7)costituitoessenzialmentedaunclusterdi7Linuxblade,ciascunodeiquali composto da 4 processori Xeon per le procedure di ottimizzazione del piano di trattamento, le operazioni di Record & Verify e DQA (Delivery Quality Assurance) e da un Database composto da un server dedicato con sistema RAID, con architettura relazionale DB2 e interfaccia di comunicazione CORBA per gestire i pazienti, le immagini, e i dati relativi ai trattamenti. 1.5.2 La geometria e le funzionalit di base del sistema HI ART 1.5.2.1. Caratteristiche geometriche e meccaniche Il sistema caratterizzato da una distanza sorgente-isocentro di 85 cm; da una distanza isocentro rivelatori di 50 cm., da una velocit di rotazione durante il trattamento variabile da 1 a 6 giri/minuto (periodo variabile da 60 a 10 sec) e da una velocit massima di rotazione durante limaging di 20 giri/minuto (con un periodo minimo di 3 sec). La precisione dellisocentro di 1/10 di m. (fig.8). s i n g l e M L C l e a f other leaves are intoand out of pagejaw motion jaw motion ZY7 Durante lirradiazione e limaging la sorgente di fotoni X compie rotazioni complete continue di 360 mentre il piano portapazientedel lettino si sposta longitudinalmente inmaniera continua generando una traiettoriadi tipoelicoidaledellasorgenterispettoalpianoportapaziente(consideratocomeunsistemadiriferimento fisso). La larghezza del fascio a ventaglio proiettata sullasse passante per lisocentro 40 cm. Lescursione longitudinale massima del lettino di 160 cm. allisocentro. Il volume di trattamento un cilindro di 40 cm di diametro e 160 cm. di lunghezza Le accuratezze di trattamento per test di tipo geometrico e di allineamento sono 1 mm. o 1 Laccuratezza nellandamento dellenergia in profondit e dose Max 1 mm. Laccuratezza nellandamento dellampiezza del campo per diversi angoli del gantry 1 mm. Laccuratezza del campo MLC per diversi angoli del gantry 1 mm. La riproducibilit e linearit delloutput espressa in % 1% 1.5.2.2. Funzionamento del Sistema come Tac a spirale (Fig.11) LatecnicadiacquisizioneevisualizzazionequelladiunaTACaspiraleconuntempodiacquisizione, ricostruzione dellimmagine e visualizzazione di 2-5 sec/strato, con uno spessore di strato di 4 mm. e campo di vista (FOV field of view) di 40 cm.Lefficienzaquanticadelsistemadirivelatoridel25%,(valoresuperioreaquellodegliEPID-Electronic Portal Imaging Device). Essi sono costituiti da camere di ionizzazione separate da sottili pareti di tungsteno, dove sonoassorbiti un numero notevole dielettroni,portati poi agli elettrodidelle cameredi ionizzazionee rilevati dalle stesse. Le immagini acquisite, denominate TomoImage sono caratterizzate da una risoluzione ad alto contrasto di 1,6mm.(conmatrice512x512pixeleconFOV40cm)eduncontrastodeltessutomolledel3%per oggetti di 30 mm. con una massima dose dirradiazione di 3cGy.La dose per ottenere unimmagine comparabile con la dose che viene normalmente utilizzata per acquisire le immagini negli EPID tradizionali. Il polmone, il grasso, il muscolo, le ossa sono chiaramente distinguibili. I reni, il cristallino, la prostata e la vescica sono resi visibili con una dose compresa fra 0,5 e 3 cGy che un livello giustificabile anche con lacquisizione di una TomoImage giornaliera per ogni paziente. 1.5.2.3. Funzionamento del sistema come unit di trattamento con fasci esterni (Fig.11) Il sistema HI ART ha una tecnica elicoidale di erogazione continua che viene discretizzata nel calcolo della distribuzione di dose da 51 segmenti di arco (paragonabili ad altrettante porte dingresso ogni circa 7), con un fascio modulato dal movimento binario di 64 lamelle. Il beamlet viene definito dal movimento della lamella dalla posizione chiusa alla posizione aperta e nuovamente alla posizione chiusa. La pi elevata intensit di dosedelbeamletsihaquandolalamellasiaprealliniziodelsegmentodiarcoesichiudeallafinedel segmentodiarco;lapibassaintensitdibeamletsihaquandosiaprelalamellaprimadellametdel segmento di arco e si chiude appena superata la met del segmento di arco. 8 2.Esamecomparativofrailsistemaacceleratore convenzionale e il sistema di tomoterapia elicoidale Lenuovefunzionalitdellaradioterapiamoderna(IMRT;IMAT,VMAT,IGRT,4D,DGRT)sipossono ottenere in 2 modi : a) acquistareun acceleratore lineare tradizionalecon diversi accessori aggiuntiche tentano diadeguarele funzionalitpropriedellinacallenuovetecnicheaumentandoneperlacomplicazioneerendendonepi difficile loperativit. oppure b)acquistareilnuovosistemaditomoterapiaelicoidaleHIART,sempliceecompatto,specificatamente progettatoexnovo,perrenderepraticheedefficientilapplicazionedellenuovetecnicheavanzateeper consentireancheleventualeeffettuazionedicasisempliciconmaggiorerapiditedefficacia dellacceleratore convenzionale. Le 2 alternative si pongono in segmenti di mercato diversi e quindi difficilmente confrontabili perch si passa daunsistemaacceleratorelineare,cheappartienealpassato,adunsistemaditomoterapiaelicoidale,di concezionecompletamenteinnovativaerivoluzionaria,conprestazioniecapacitdisvilupposuperiori rispetto a quelle del segmento tradizionale. Esamineremo comunque pi in dettaglio i principali aspetti dei 2 sistemi per meglio illustrare questi concetti fondamentali,denominandoperbrevitlinacilsistemaacceleratorelineareconvenzionaleeHIARTil sistema di Tomoterapia elicoidale.Ilconfrontoprenderinesamei2sistemidalpuntodivistadiinstallazione(paragrafo3), tecnologico (paragrafo 4), dei benefici clinici per i pazienti (paragrafo 5), della ricerca fisica e clinica effettuabile (paragrafo 6), dei costi dinvestimento iniziali (paragrafo 7) e, per finire, dal punto di vista economico-gestionale (paragrafo 8). 3. Confronto relativo allinstallazione dei 2 sistemi Il sistema HI ART richiede dimensioni interne minime della sala di trattamento pari a: 6 m. x 4,50 m. x 2,75 m. dialtezza.Ilfascioradiantehaunenergiaconvenzionaledi6MVedschermatodaunbeamstopper, integrato nel sistema, che blocca tutta la radiazione primaria. Un metro di spessore di calcestruzzo ordinario normalmentesufficienteperridurrealdisottodellasogliaammissibilelarimanenteradiazione diffusa.(fig.13). Per effettuare glieventualiadattamentidel bunker sipuanche ricorreread un nuovissimo materiale, denominato Ledite, cheha una densit di 4,8 kg/dmce checonsentedi ridurre lo spessore di1 metro di circa il 50%.Di conseguenza mentre linstallazione del sistema HI ART appare facilmente realizzabile, quella del sistema Linac,dotatodiunenergiaelevatadelfascio(finoa23MV),senzascudodiprotezione,imponela realizzazione di imponenti e costose opere di schermatura (fig.12) che, in corrispondenza al fascio primario, obbligano ad uno spessore di calcestruzzo ordinario superiore ai 2 metri. fig. 12Schermatura Linac fig. 13Schermatura HI ART (barite o cls ordinario 2 m. di spessore)(cls ordinario 1 m. di spessore) 9 Mentre nel sistema HIART sicuramente non si deve schermare la radiazione neutronica (che ha una soglia di emissione della reazione X,n sopra i 10 MV), nel sistema Linac, che ha unenergia superiore ai 10 MV, si deveschermarequestacomponente(chehaunefficaciabiologica10voltesuperioreaquelladella radiazione fotonica). IlsistemaHIARTpuessereinstallatoinbunkerpreesistentiutilizzatiperunitdicobalto,saledi simulazione,piccoliacceleratorida6MV,conpiccoliadattamenticheriguardanomaggiormenteil condizionamento piuttosto che le schermature. Inconclusione,alivellodifattibilit,ilsistemaHIART,dalpuntodivistadellinstallazione,moltopi flessibileesiadattaaqualsiasisoluzionepreesistente;viceversailsistemaLinacnonsiadattaa determinate situazioni esistenti ed le opere per linstallazione sono molto pi ingombranti e pi costose. 4.Confronto tecnologico 4.1. Struttura del sistema HI ART caratterizzato da uno stativo saldamente poggiato a pavimento con allinterno un anello rigido che supportacomponentiinequilibriofradiloro.(fig.15).ElatipicastrutturadiunaTAC,rinforzata opportunamente, supercollaudata dalluso di migliaia di esemplari analoghi costruiti e funzionanti nel mondo e adatta a compiere rotazioni continue, veloci e precise.IlLinachaunosbraccioasbalzo,vincolato,mediantecuscinetti,adunmontanteverticale,conpeso rilevanteadunestremit,pesorappresentatodallatestataconilcollimatore(fig.14).IlLinacnonpu effettuarerotazionicompleteperchlalunghezzadeicavidiinterconnessionedeisuoicomponentilo limitanoaunarcoinferioreai360gradi.PerlanormativaIEClavelocitdirotazionedelgantrynondeve superate il valore di 1 rotazione completa al minuto.Di conseguenza, latestata del Linac soggetta avibrazionie ad inflessioni e pu erogare campi fissi con poche e lente pendolazioni da effettuarsi, per ragioni di sicurezza, sotto il controllo attento delloperatore. Al contrariol HIART pu effettuareerogazioni rotazionalicontinue incompletasicurezza (conuna velocitdi fino a 20 rotazioni/min) e, non essendo soggetto a vibrazioni, ha una maggior precisione di irradiazione. fig.14 - Sistema Acceleratore linearefig.15 Sistema HI ART di Tomotherapy 4.2. Precisione dellisocentro LaprecisionedellisocentrodiHIART100m=0,1mm.(tipicadiunaTAC,progettataecostruitaadhoc con la tecnologia slip ring); la precisione dellisocentro di un Linac, quando in perfette condizioni, durante il movimentodipendolazione,normalmentedefinitaentrounasferadidiametrodi2mm.Questogioco meccanico destinato ad aumentare nel tempo a causa dellusura dei cuscinetti. Infatti, le nuove tecniche di radioterapia,caratterizzatedapendolazionicontinue,sottopongonoicuscinettistessietuttalameccanica del gantry ad unutilizzazione non previsto dalla progettazione iniziale di questi componenti. 10 4.3. Macchia focale del targetIl diametro della macchia focale del target dellacceleratore di HI ART 1,5 mm. Il Linac ha un diametro della macchiafocalechetipicamentedi3mm.IlfasciodiradiazionediHIARThaunapenombraridottanel fascio terapeutico, che hanno una migliore qualit di trattamento (fig.16). Fig. 16- N2P2 penombrafig.17 - flattening filter del linac Dallesame della fig.16 appare evidente come allaumentare delle dimensioni della macchia focale aumenta anchelapenombraduranteiltrattamentoradiante.Lapenombraportaauncontornosfumatoche diminuisce la precisione del trattamento. 4.4. Collimatori primari Nel sistema HIART hanno una forma a conchiglia (fig.9) studiata apposta per limitare la radiazione di fuga. Nel Linac sono di tipo tradizionale e lasciano passare una maggior radiazione di fuga. 4.5. Filtro equalizzatoreNelsistemaHIARTilfiltroequalizzatore(fig.17)assenteperchnonnecessariolappiattimentodel profilodelfascio;diconseguenzailfasciononvieneattenuato,sihamaggiordose-rateallisocentroe riduzionedeltempoditrattamento.Lassenzadelfiltroequalizzatoreconsenteunamaggiorpurezzadel fascio(insolifotonisenzacontaminazionidiscatteredicomponentielettroniche)allinternoedallesterno delcampo.Inoltre,senzaflatnessfilter,lospettrodellaradiazionedibremsstrahlungsimantienecostante lungo la larghezza del fascio a ventaglio (variazioni inferiori allo 0,5%) con conseguente semplificazione del successivo calcolo della distribuzione di dose. Viceversa nel Linac necessario avere in uscita un fascio dal profilo piatto ed occorre la presenza del filtro equalizzatore che comporta una maggior attenuazione, diminuzione del doserate allisocentro, aumento del tempoditrattamento,maggiorcontaminazioneelettronica,variazionedellospettrolungoilprofiloe,per energie superiori ai 10 MV, contaminazione neutronica per reazione X,n. 4.6. Forma del fascio NelsistemaHIARTilfasciosiaperlimagingcheterapeuticoaventaglio(fig.19)conminoriproblemidi contaminazione dovuta al collimatore primario e minori problemi di scattering nellattraversamento del corpo delpaziente..ConilLinactronco-piramidale(fig.18)conmaggioriproblemidipenombraemaggiore contaminazionedovutaalcollimatoreprimarioemaggioriproblemidiscatteringnellattraversamentodel corpo del paziente. Lo scattering rappresenta un disturbo sia nellimaging che nel calcolo della distribuzione di dose. 11 fig.18 - Erogazione del fascioFig.19 - Erogazione elicoidale con fascio a tronco piramidale di un linac ventaglio dell HI ART

4.7. Energie del fascio fotoni e del fascio elettroni Lerogazione elicoidale di HI ART a 6 MV, soli fotoni, pu emulare qualsiasi distribuzione di dose proveniente da fasci con differenti energie di fotoni ed elettroni. Il Linac solitamente un dual energy (ossia due livelli di energia fotoni) che utilizza unenergia fotoni elevata per trattamenti profondi e svariate energie elettroni per trattamentisuperficiali.Lutilizzodienergieconvenzionalimaggioridi6MVconilLinacportanoaduna maggiorcomplicazione nella gestione ecalibrazionedei fasciesoprattutto,perenergiesuperioria10MV, portanoallacreazionedineutroni(chehannounelevataefficaciabiologicaequindiarrecanoundanno elevato ai tessuti sani). Senza contare che, fasci di energia di fotoni elevata portano ad una maggior dose in uscita, ad un maggiore necessit di schermatura dei bunker e di conseguenza a maggiori spazi per la sala di trattamento. AnalogamentenelsistemaHIARTnonsononecessarifascidielettroni.Lerogazioneelicoidaledelladose portaatrattarelargheareesuperficialiconmaggioreaccuratezzadosimetricaerisparmiodegliorgani rispetto ai fasci con elettroni che talvolta comportano la necessit di bolus. Si sarebbe portati a pensare che lutilizzo del Linac con energie fotoni pi elevate (fino a 23 MV) e dotato di svariateenergiedielettronipossaportaremaggiorivantaggi.Inrealtproprioveroilcontrario.Avere lenergiapielevataarreca,inquestocaso,perleragionicheabbiamoprecedentementeenunciato, maggiori svantaggi che vantaggi.Sipotrebbeanchepensarecheadunamaggioreenergiacorrispondaunamaggiorpenetrazionein profondit nei tessuti del fascio terapeutico, ma questa si ottiene, nel caso del sistema HI ART con la tecnica di erogazione elicoidale (con 51 porte dingresso) che consente un maggior risparmio dei tessuti superficiali edilraggiungimentodiunadistribuzionedidoseperfettamenteconformataaqualsiasitumorein profondit.(fig.20) 1 fascio5 fasci11 fasci 17 fasci25 fasci51 fasci fig. 20 12 4.8. Distanza sorgente isocentroe intensit di dose Con HI ART 85 cm. con maggior dose-rate allisocentro e minor durata del trattamento. Con il Linac 100 cm. con minor doserate allisocentro e maggior durata del trattamento. Ildose-ratenotevolmentepielevatorispettoaquellodellaradioterapiaconvenzionaleperchnonvi filtro equalizzatore e perch la SAD (Source Axis Distance) di 85 cm. (quella degli acceleratori 100 cm.).Elevati valori di intensit di dose con HI ART (pari a 850 UM/min); minor durata del tempo di erogazione dei fotoni X. Lintensit di dose tipica del Linac 400 -600 UM/min; con maggior durata del tempo di erogazione dei fotoni X. 4.9. Collimatore multilamellare NelsistemaHIART,ilcollimatoremultilamellare(fig.22)statospecificatamenteprogettatoexnovoper effettuare la IMRT in manierasemplice edefficace. Ilfunzionamentodi apertura echiusuradelle lamelle moltoveloceperchcomandatoadariacompressa,nonhanecessitdiregistrazioneedestremamente affidabile. Con il Linac il collimatore multilamellare (fig.21) stato progettato essenzialmente come metodo pi veloce per conformare il fascio in modo dasostituire i blocchicon cui venivano effettuati i campi personalizzati. E stato poiadattato afunzionare per la tecnicaIMRT.NelMLCtradizionaleciascunalamella mossa da un motorinoac.celaposizionedefinitamediantetrasduttoridimovimento.Questocomportauna manutenzioneimpegnativa,uncontinuocontrollodiqualit,lacostantenecessitdiregistrazionedella posizione e velocit di translazione drasticamente inferiori (2 cm/sec). InparticolarelelamelledelsistemaHIARTsispostanoconunavelocitnotevolmentesuperioreaquella dellelamelledelMLCtradizionale;siarrivaa200cm/secossiai5cmdellospessoredelfasciovengono percorsiin25msecequestoportaallariduzionedelleffettointerplayframovimentodellelamellee movimentodeltargetconassenzadegliartefattideipunticaldiefreddiallinternodeltarget(quandosi hannobersagliinmovimento)cheinvecesihannoconilsistemaLinacquandosiutilizzailMLCinmodo dinamico.Esiste una realizzazione WIP (M.A.T: Motion Adaptive Therapy) della TomoTherapy che porter a sfruttare il movimento velocissimo delle lamelle in un sistema con il target in movimento, che possibile effettuare solo con tempi di inerzia elettronica e meccanica ridottissimi, impossibile da ottenere con il sistema Linac.In HI ART laltezza delle lamelle (spessore di schermatura interposta alla radiazione) di10 cm; si ha minor radiazione di fuga;minor dose dispersa; minor dose integrale; conil Linac tipicamente di 8 cm; maggior radiazione di fuga; maggior radiazione dispersa, maggior dose integrale. IlcollimatoremultilamellarediHIARTditipobinario(fig.22)(ossialaradiazionepassaononpassa),le lamelle non sono contrapposte ma sbarrano completamente lintero profilo del fascio; si eliminano i problemi di fuga di radiazione che si hanno nei punti di giunzione di lamelle chiuse in contrapposizione . fig. 21fig. 22 InuncollimatoredelLinacalamellecontrapposte(fig.21)sihannoproblemidileakageneipuntidi giunzione delle lamelle (che chiudono in contrapposizione). Esiste inoltre il problema del profilo dellestremit delle lamelle per tener conto della divergenza del fascio e cercare di diminuire la penombra.(fig.21) . InHIARTilleakage(fig.23)nelcampo