D. SCANNICCHIO 2013 01/42 LA FISICA IN MEDICINA GLI ACCELERATORI NUCLEARI NELLA TERAPIA DEI TUMORI...

D. SCANNICCHIO 2013 01/42

LA FISICA IN MEDICINA

GLI ACCELERATORI NUCLEARI NELLA TERAPIA

DEI TUMORIDomenico Scannicchio

Dipartimento di Fisica - Ordinario di Fisica Medica

Corso di Laurea in Medicina e ChirurgiaUniversità di Pavia

Milano, 20 febbraio 2013

ISTITUTO LOMBARDO ISTITUTO LOMBARDO

ACCADEMIA DI SCIENZE E LETTEREACCADEMIA DI SCIENZE E LETTERE

RADIAZIONI

RADIAZIONI:

- elettromagnetiche- corpuscolari (particelle)

02/42D. SCANNICCHIO 2012 D. SCANNICCHIO 2013

SPETTRO ELETTROMAGNETICO

03/42

MeV keV

E = h= c

GeV E103106109

VISIBILE

700600500400

(nm)

VISIBILE

ONDERADIO

MICROONDE

INFRA--ROSSOULTRA-

-VIOLETTO

RAGGIX

RAGGIGAMMA

102110–210–410–610–810–1010–1210–14 (m) (m)

(Hz)

(Hz) 106108

3 108 Hz

1010101210141016101810201022

(cm)(mm)(m)(Å)(fermi) (nm)

RAGGI GAMMA

RAGGI X U.V. I. R.

MICROONDE ONDE

RADIO

D. SCANNICCHIO 2013

PRODUZIONE DI RAGGI X E GAMMA

raggi Xproduzione artificiale

tubo a raggi X

raggi X

produzione artificialetubi a raggi X

raggi produzione naturale

emissione da decadimento nuclei instabili(radionuclidi)

produzione artificialeacceleratori di particellereattori nucleari

raggi gamma produzione naturale

produzione artificiale

emissione di raggi da nuclei radioattivi (radionuclidi)

acceleratori di particelle

04/42D. SCANNICCHIO 2013

STRUTTURA DELLA MATERIA

u

ud

protone

neutrone

atomo

1920

1940

1970

protone

~

~

~

nucleo

neutrone

u d

d

elettrone

nucleo

quarks quarks

adroni

electroni nucleoneutroni

protone

atomi

neutroni protoniadroni

MATERIA

nucleo

• singoli fasci per adroterapia ~ 1985• centri medici di adroterapia ~ 1990 05/42D. SCANNICCHIO 2013


PARTICELLE

• nuclei ions

• electrons • muons (from cosmic rays)

• hadrons : - protons - neutrons - mesons

PRODUZIONE DI PARTICELLE

produzione artificialeacceleratori di particelle


particelle cariche produzione naturale

produzione artificiale

radiazione cosmica

acceleratori di particelle

emissione da nuclei radioattivi (radionuclidi)

neutroni


produzione artificialereattori nucleari


> 1990


ASSORBIMENTO della RADIAZIONE nella MATERIA

• interazione con strutture atomiche e molecolari• rilascio di energia con rottura di legami• produzione di cariche elettriche in moto (ioni)

ionizzazione

assorbimento:

• Linear Energy Transfer (LET)

09/42

• radiazioni a modesto LET (X, gamma, elettroni)• radiazioni a grande LET (protoni, ioni nucleari)

• perdita progressiva di energia fino all’arresto (range R)• LET dipende da E, d, Zmateria

D. SCANNICCHIO 2013


• unità di energia:

◊ UNITA’ PRATICA SU SCALA ATOMICA :

elettronVolt (eV) = 1.6 10–19 joule

• MeV (mega-elettronVolt) = 106 eV• GeV (giga-elettronVolt) = 109 eV• TeV (tera-elettronVolt) = 1012 eV


◊ SISTEMA INTERNAZIONALE : joule (J)



• DOSE ASSORBITA:

D = energia assorbita

massa

◊ SISTEMA INTERNAZIONALE :

gray (Gy) = 1 joule/1 kg

• gray (Gy) = 100 rad

ASSORBIMENTO della RADIAZIONE CORPUSCOLARE

12/42

0.01 0.1 1 10 100 1000(MeV)0.1

1

10

100(cm)

R(E)H2O

E

alfa

p

e

mesoni elettroni

protoni

scala logaritmica

scala logaritmica

H2Orange R

scala logaritmica

scala logaritmica

protonimesoni elettroni

alfa

T

T

D. SCANNICCHIO 2012 D. SCANNICCHIO 2013

ASSORBIMENTO della RADIAZIONE CORPUSCOLARE

• raggi X• elettroni

RADIOTERAPIA CONVENZIONALE


• protoni• ioni carbonio (12C)• altri ioni (4He, 14N, 16O)• neutroni

ADROTERAPIA

CONFRONTO

raggi 22 MeV

raggi da 60Coelettroni

22 MeV

0 10 20

profondità di tessuto

1

2

3

4 unità relative

cm x

raggi X 200 keV

dose

protoni(profondità x )

protoni 200 MeV(profondità fissa)

picco di Bragg

dose pelle = 1

profondità di tessuto

picco di Bragg

protoni 200 MeV(profondità fissata)

protoni a diverse energie per coprire profondità

raggi X 22 MeV

22 MeVelettroni

raggi da 60Co

200 keV raggi

unità


7

135 MeV/n

270 MeV/n

330 MeV/n

C12

2

4

6

8

10

2 4 8 12 16 20 24

ionizzazione relativa

cmH20Shiver et al. - GSI

dati sperimentali

ASSORBIMENTO IONI LEGGERI

ionizzazionerelativa

dati sperimentali

ASSORBIMENTO di IONI


protons

Ep = 150 MeV Rp = 15.5 cm

0.5

1.0

1.5

0–1 +1–2 +2 cm

particle distribution

H2O

4 cm 8 cm

15 cm

+3–3

electrons depth 10 cm

Ee = 20 MeV Re = 12 cm

13 cm

9

depth

beam diameter 1 cm

2° ADVANTAGE : COLLIMATIONCOLLIMAZIONE


10

C ion E

C = 258 MeV/u

RC = 15.5 cm

0.5

1.0

1.5

0–1 +1–2 +2 cm

H2O

d = 4 cm

+3–3

DIFFERENT BEAM OUTLINE

raggi X at d 15 cmE

X = 18 MeV

protons at 15 cm

d = 15 cm

Ep = 150 MeV

Rp = 15.5 cm

beam diameter 1 cm

depthparticle distribution

X ray

COLLIMAZIONE


CONFRONTO

da frenamento di elettroni da 25 MeV

1.3 MeV da 60Co

0

10

20

cm

cm

cm0

10

20

protoni200 MeV

cm

da

da frenamento di elettroni da 25 MeV

protoni 200 MeV


ASSORBIMENTO della RADIAZIONE nella MATERIA BIOLOGICA

• DOSE BIOLOGICA ASSORBITA:

Dbiologica = RBE Dfisica


◊ SISTEMA INTERNAZIONALE :

sievert (Sv) = RBE 1 Gy

• sievert (Sv) = 100 rem = 100 RBE rad

23/42

LET

(keV/m)

LINEAR ENERGY TRANSFER (LET)

D. SCANNICCHIO 2013

24


PIANO di TRATTAMENTO


• tipo di cellule neoplastiche• posizione del tumore• conformazione del tumore• prossimità organi vitali• definizione direzioni di irraggiamento (campi)• parametri del fascio (dimensioni, energie)• numero sessioni e dosi

Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica


• studio del progetto iniziato 1992 (CERN e INFN)• acceleratore protoni e ioni carbonio (sincrotrone)• sistema magnetico tradizionale• 3 sale di trattamento• fasci orizzontali e verticale (una sala)• sala dedicata ad attività di ricerca• accurata progettazione edilizia• progettazione sistemi di misura della dose• progettazione sistemi di sicurezza• sperimentazione su animali• sistemi diagnostici integrati (TC, RM, PET)• costruzione iniziata nel 2004, terminata nel 2008• installazione e test alta tecnologia 2008-2011

15.12.2005

30.07.2006

30.07.2006


33


CNAO


SALA di TRATTAMENTO

TECNICHE di POSIZIONAMENTO


• sistema di immobilizzazione personalizzato• piano di carbonio con markers di riferimento• markers distribuiti sull’area irraggiata• posizionamento sul piano di carbonio nel locale CAP (Computer Aided Positioning)• trasporto nella posizione di trattamento• aggancio sul lettino robotizzato• mobilizzazione del lettino secondo il piano di trattamento• controlli accurati posizionamento (RX e IR)

• esecuzione trattamento: circa 100-200 secondi/campo• controllo continuo della posizione (100 Hz)

TECNICHE di POSIZIONAMENTO


• markers distribuiti sull’area irraggiata• mobilizzazione del lettino secondo il piano di trattamento• controlli accurati posizionamento (RX e IR)

TECNICA di IRRAGGIAMENTO

• scanning beam


TERAPIE in CORSO


sperimentazione- iniziata settembre 2011 (solo protoni 1 sala di trattamento)- ottobre 2012 (terapie anche con ioni carbonio)- attualmente 67 pazienti (di cui 14 in corso di terapia)- 7 pazienti anche ioni carbonio- 15-20 sessioni per paziente- marzo 2013: 2a sala di trattamento attiva- inverno 2013: 3a sala di trattamento attiva- entro 2014 termine sperimentazione (250 pazienti - circa 12 protocolli)

SVILUPPI FUTURI

D. SCANNICCHIO 2013 A/42

diagnostica avanzata

sviluppo tecnologie avanzate

studi clinici

informatizzazione diffusa e avanzata

sviluppo piani di trattammento e analisi automatica delle immagini

FUSIONE IMMAGINI 3D, PET ON-LINE

TESTATA ISOCENTRICA, TRATTAMENTO TUMORI IN MOTO CASUALE

IMPIEGO DELLA RETE DI CALCOLO “GRID”

D. SCANNICCHIO 2013 01/42 LA FISICA IN MEDICINA GLI ACCELERATORI NUCLEARI NELLA TERAPIA DEI TUMORI...

Documents

Transcript of D. SCANNICCHIO 2013 01/42 LA FISICA IN MEDICINA GLI ACCELERATORI NUCLEARI NELLA TERAPIA DEI TUMORI...