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21 Novembre 2009 / Ruvo di Puglia

ConvegnoProtonterapia: il progetto ERHA

La terapia con protoni:aspetti tecnologici, fisici e

dosimetrici – parte 2

Evaristo Cisbani

Dipartimento Tecnologie e Salute

Istituto Superiore di Sanità

(… uno sguardo allo scanning dinamico e agli aspetti correlati )

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Scanning Dinamico (3+1)D

• Un elemento fortemente caratterizzante un sistema di protonterapia

• Attualizza al meglio le potenzialità del fascio di protoni

• Massimo beneficio del fascio di protoni con controllo ottimale dei parametri del fascio su ciascun impulso:– Energia (profondità)

– Posizione Laterale (direzione)

– Intensità (dose istantanea rilasciata)G. Coutrakon et al PAC1999 pg.11

Terapia altamente conformazionale

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Scanning Dinamico / Benefici

• Maggiore flessibilità del piano di trattamento

• Minore produzione di particelle di fondo (meno neutroni secondari)

• Indicato per trattamenti pediatrici

• Dose tipica nei tessuti sani ~10 volte inferiore

• Minore attivazione dei componenti del fascio

• Si evita la realizzazione di assorbitori ad hoc per il paziente

rispetto a sistemi passivi

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Scanning Dinamico / Complicazioni

• Maggiore flessibilità, ma anche maggiore rischio di coinvolgere regioni sane

• Maggiore attenzione al motion management (necessità di repainting), immobilizzazione, beam gating, motion tracking

• Richiesta dettagliata conoscenza delle disomogeneità del volume coinvolto (in generale per protoni)

• Differente approccio al TPS (più gradi di libertà)

• Beam delivery più sofisticato

• Monitoraggio fascio real-time con feedback

• Protocollo di calibrazione e controllo di qualità più complesso

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Scanning Dinamico / Impatto su

+ sistema di delivery, ….

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Competenze Specifiche @ ISS / Dip. Tesa

• Biofisica delle radiazioni ionizzanti

• Piani di trattamento

• Dosimetria

• Diagnostica di fascio

• Imaging

• ISS realtà multidisciplinare che opera per la tutela della salute pubblica

• Competenze impiegate/approfondite nell’ambito del progetto TOP

(Terapia Oncologica con Protoni) avviato dall’Istituto nel 1992 in

collaborazione con: Fondazione TERA / ENEA / IRE

Rapporto ISTISAN 2004/40 ( http://www.iss.it/publ )

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Radiobiologia con protoni @ ISS

Studi collegati alla sterilizzazione del tumore

Studi collegati agli effetti sui tessuti sani irradiati

Studi collegati a meccanismi di tipo bystander

Valutazione dell’RBE per i diversi end point

biologici

Induzione e riparazione del danno al DNA

Induzione di micronuclei

Effetto letale in cellule direttamente irradiate e nella loro progenie

1Gy/20 minCN

Individuare possibili marker molecolari di danno genotossico predittivi del danno cellulare

Valutare correlazioni tra danno cellulare, danno cromosomico e danno molecolare

Sviluppo di test predittivi della risposta al trattamento radioterapeutico

Migliorare i piani di Migliorare i piani di trattamentotrattamento

Studi pioneristici su effetti biologici dei protoni dagli anni 80

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Radiobiologia con protoni / RequisitiFascio di protoni per esperimenti in vitro e in vivo:

La divergenza del fascio estratto in aria deve essere minore di 35 mrad

1) Fascio estratto in aria praticamente monoenergetico

(FWHM / Em < 0.03)

2) Uniformità del fascio su un’area circolare con diametro compreso fra 60 mm e 30 mm tale che le variazioni di dose siano minori di ± 10%.

3) Fascio orizzontale per un certo numero di energie

4) Intensità di corrente del fascio estratto variabile nell’intervallo 0.1 pA ai 1 nA.

Cou

nt

E(keV)

Em = 6940 keV

0

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200

300

6800 6900 7000 7100

= 48 keV

-15

0

15

-150 15

y(m

m)

z(mm)

Distribuzione di energia del fascio estratto in aria

Vista trasversale del fascio estratto in aria

Simulazione del trasporto del fascio lungo la linea utilizzando il codice di calcolo TRACE e il codice Montecarlo SRIM

Rateo di dose (0.1 – 20) Gy/min

5) Possibilità di irraggiamento con fascio verticale (dal basso verso l’alto) delle colture cellulari

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Piani di Trattamento @ ISS

• Simulazioni Monte Carlo per verifiche dosimetriche, benchmark di sistemi commerciali per TPS, collaborazione allo sviluppo di un TPS dedicato

• Software framework per simulazione (interfaccia web, DICOM, computing)

Facility in ISS:

Cluster di calcolo per applicazioni distribuite e parallele

Esperienza nello sviluppo di codice Monte Carlo GEANT4 e di tecniche di ottimizzazione in radioterapia

Sistemi per calcolo intensivo su GPU

Necessità di diffusione del calcolo complesso in ambito ospedaliero

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Dosimetria @ ISS

• Camere a ionizzazione a piani paralleli(sistema più diffuso per dosimetria di riferimento)

• Sistema dosimetrico alanina/EPR

• Diodo al silicio

• Diamante naturale e sintetico

• Dosimetria a termoluminescenza

• Film Gafcromici

Sviluppo e caratterizzazione di sistemi per dosimetria assoluta e relativa di fasci di protoni:

• Calorimetro ad acqua (coll. ENEA)Sistema di elezione per la misura di dose assoluta (può rappresentare un campione primario)

non di facile operazione e configurazione;si ricorre pertanto a sistemi secondari:

Richieste: accuratezza <5%, precisione <2%

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Monitor per diagnostica di fascio / Requisiti

• Real-Time

• Risposta rapida (tra impulsi)

• In grado di fornire feedback al sistema di controllo

• Buona risoluzione spaziale (< millimetro)

• Ampio range dinamico

• Buona sensibilità

• Minimo materiale

• Modesto ingombro (va posta vicino al paziente)

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Camera a ionizzazione per diagnostica Intende fornire: posizione, direzione e profilo di intensità del

fascio (indirettamente la dose che si sta per rilasciare)

Prototipo 1

Pad-like x/y readout con pitch 600 m

Sensibilità e ampio range dinamico: 1 fC × 104-105

(elettronica dedicata a portata multipla con multiplex)

Rapida acquisizione e elaborazione del segnale (<1 ms)

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Diagnostica / risultati sul prototipo 0

Elettronica discreta con trans-impedenza Q/V e

tecnica multiportata

Provvede un range dinamico di almeno 1 ordine

di grandezza superiore ad un rateometro (nei

tempi tipici dell’impulso del fascio del linac TOP

di qualche decina di microsecondi)

Ca

ric

a I

nie

tta

ta (

pC

)

Risposta (u.a.) Errore Relativo (%)

0.03> 4 ordini di grandezza

In corso di realizzazione

versione compatta per camera a micropattern

Cambio portata

Prototipo 0

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Imaging / Validazione del trattamento

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In conclusione(ovvero da dove iniziare)

Tanto più localizzato è il rilascio di dose, tanto più precisi

debbono essere gli strumenti per la sua pianificazione,

controllo e verifica

Un sistema di protonterapia in grado di competere con le

tecniche più avanzate di radioterapia convenzionale

deve integrare un sistema dinamico di rilascio del

fascio

L’utilizzo ottimale di un tale sistema richiede lo sviluppo e

“fine tuning” di un gran numero di componenti

fondamentali: TPS, Radiobiologia, Dosimetria,

Diagnostica, Sala Trattamento, Imaging …