IntroduzioneallaTerapiaconParticelleCariche

G.Battistoni

INFNMilano

Outline

2

•  Radioterapiae“particletherapy”•  Iconcettidibase•  Alcunielementidiradiobiologia•  Particletherapynelmondo•  Ricerca&Sviluppo:alcuniitemssucuifisicanucleareedelleparticellepossonocontribuire

MotivazionedellaParticleTherapy

Direzionedelfasciodiradiazioninellamateria

Posizionedeltumore

HistoryofRadiotherapy31945, R. Wilson: first proposal to use hadrons for radiotherapy

Hadron RT proposed by Robert Wilson in 1946

First hadron therapy in the sixties in US (Protons) 1954–Berkeleytreatsthefirstpatientandbeginsextensivestudieswithvariousions1957–firstpatienttreatedwithprotonsinEuropeatUppsala1961–collaborationbetweenHarvardCyclotronLab.andMassachusettsGeneralHospital1993–patientstreatedatthefirsthospital-basedfacilityatLomaLinda1994–firstfacilitydedicatedtocarbonionsoperationalatHIMAC,Japan2009–firstEuropeanproton-carbonionfacilitystartstreatmentinHeidelberg

Modulazionedellaprofonditàecapacita’diconformazione

muovendo il fascio in X,Y e variandone l’energia (profondità raggiunta) tutto il bersaglio puo’ essere efficacemente irradiato

Fasci di energia diversa depositano energia a profondità diverse nel tessuto→ rilascio di dose modulato lungo la

direzione del fascio

Conformazione:ilconcettodiSpreadOutBraggPeak(SOBP)

Size of the tumor region

PTV = Planned Treatement Volume

This plot is in physical dose for a constant biogical

effectiveness

Riconsiderandogliesempiprecedenti

9 G. Battistoni

08/06/2015

(fonte: Prof. U.Amaldi)

Hadrontherapy IMRT

Passivedelivery

Activedelivery

TreatmentDelivery

SingleFieldUniformDose(SFUD)

MultiFieldOptimisation(MFO)or

IntensityModulatedProtonTherapy(IMPT)

Combinationofindividuallyoptimisedfields,eachofwhichdeliverahomogenousdoseacrossthetarget

SimultaneousoptimisationofallBraggpeaksfromallfields:thesumofthebeamscoversthetargetuniformlywithdose.Itprovidesmoredegreeoffreedomandbetternormaltissuesparing,especiallyforOARsontheproximalsideofthetarget.

ProtonTherapy:ScanningBeams

2DIMPT:deliveryofintensitymodulatedprotonfieldswithfixedrangemodulation.thedepth–dosedistributionischaracterizedbyafixedextentSOBP,whosedistaledgeismatchedtothedistaledgeofthetargetvolumebyafixedandfieldspecificrangecompensator.deliveryofa2Dmatrixofintensities,witheachintensitybeingassignedtoanarrow,fixedextentSOBPpencilbeam.

homogeneousdosedistributionscanbeachievedthroughtheuseofsingleBraggpeaksandinwhichtheratioofenergydepositedinthetargetvolumetothatdepositedelsewherecanbemaximized.amono-energeticprotonbeamwhoseBraggpeakismatchedtothedistaledgeofthetarget.intensityvariationofthemono-energeticBraggpeakpencilbeamswithafixeddepth–dosecharacteristicinwater

2.5DIMPTintensitymodulationofvariable,asopposedtofixed,extentSOBPs.theextentofSOBPsoriginatingfromdifferentpointsinthetransversalplanearematchedtothethicknessofthetargetinthebeamdirection,reducingunnecessarydoseproximaltothetargetvolume.althoughthefreemodulationofpencilbeamsstilltakesplaceonlyinthetransversalplane,thedepth–dosecharacteristicsoftheindividualpencilbeamsalsovaryacrossthetransversalplane.Thiscanbethoughtofasalimitedformofdepthmodulation,eventhoughthedepth–dosecharacteristicsofindividualpencilbeamsarefixed,andassucharenotmodifiedbytheoptimizationprocess.

exploitsthe3DlocalizationofdoseintheBraggpeakbyintensitymodulatingindividualnarrowbeamBraggpeaksinthreedimensions.Braggpeaksaredistributedthroughoutthetargetvolumeinthree-dimensions,witheachindividualBraggpeakpencilbeam,regardlessofitspositionindepth,beingtreatedasafreeparameterintheoptimization.

IMPT

Modalitàditrattamentopassivo

• fixedenergy• transversallyspread

patient-dependent

Magneti deflettono lateralmente il fascio incidente di energia variabile allo scopo di irraggiare tutto il bersaglio che è suddiviso in volumi cubici(voxel) raggruppati in sezioni longitudinali (slices, la cui posizione dipende dall’energia)‏

Ilconcettodirasterscanning(scanningattivo)

Inmaggiordettaglio:

Non e’ conveniente utilizzare ioni piu’ pesanti del Carbonio: producono troppi frammenti nucleari che vanno piu’ lontano di quello che serve

Ione (nucleo di Carbonio): 6 protoni + 6 neutroni

A causa della maggior efficacia radiobiologica, è meno probabile la capacità della cellula irradiata di autoripararsi: mediamente potrebbero bastare 8-10 sedute di radioterapia contro le 20-30 della terapia con raggi X o con protoni

Rangedienergiautile:

Protoni: 50-250MeV12C: 60-400MeV/u

CiclotronioSincrotroni

soprattuttoSincrotroni

Particletherapyconnuclei(ioni):ilcasodelcarbonio

Profilo di dose conforme in profondità È facilmente assorbibile dai tessuti biologici VANTAGGI Elevata efficacia biologica “a fine corsa” Possibilità verifica in-beam mediante PET

Tecnologie di produzione costose (>100 milioni di €) ‏SVANTAGGI Frammentazione nucleare

Attuamente la terapia con ioni carbonio è effettuata a •  Dopo l’esperienza pionieristica al GSI/Germania, con beam scanning attivo, ora sono in funzione Heidelberg e CNAO (Italia, sperim. Clinica) • HIMAC,HIBMC/Giappone, con fascio diffuso

48clinicalcentersinoperationUnderconstruction:25proton/4heavyioncentersOnlyinUSA27newcentersexpectedby2017

~2014:137179treatedpatients:118195withp,mainlyinUSA,5353215736with12C,mainlyinJapan,10993;+46,000inthepast5years≈10,000patientsperyear

ChargedParticleTherapyintheworld

Robert R. Wilson (left) designedthe cyclotron but joined Cornellbeforeitwasbuilt.

Earlier, Wilson wrote the shortpaper that launched protonradiotherapy (‘Radiological use offast protons,’ Radiology 47 (1946)487)

ThesecondHarvardCyclotronwasdedicatedon15June1949.The first treatments, by Dr. Ray Kjellberg, were single fraction‘radiosurgery’ofintracranialtargets.Thelastpatient,aoneyearoldinfant,wastreated10April2002.

Pioneers

2308/06/2015G.Battistoni

CarbonIonTherapy

Exp. Data (points) from Haettner et al, Rad. Prot. Dos. 2006 Simulation: A. Mairani PhD Thesis, 2007, Nuovo Cimento C, 31, 2008

Bragg peak in a water phantom 400 MeV/A C beam: The importance of fragmentation

Braggpeaksvsexp.data:12C@270&330MeV/n

25G.Battistoni08/06/2015

Exp.DataJpn.J.Med.Phys.18,1,1998

Dosevsdepthdistributionfor270and330MeV/n12Cionsona

waterphantom.Thefullgreenand

dashedbluelinesaretheFLUKApredictionsThesymbolsareexp

datafromGSI

16O284.1MeV/u

28SI575.4MeV/u

56Fe963MeV/u