G. Battistoni INFN Milano

L’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare:e la Fisica Medica

L’ottimizzazione nell’impiego delle radiazioni ionizzanti in Medicina: ruolo dello specialista in Fisica Medica

16 novembre 2009

L’INFN• L’INFN, Istituto Nazionale di Fisica

Nucleare, è l’istituto che promuove, coordina ed effettua la ricerca scientifica nel campo della fisica subnucleare, nucleare e astroparticellare e delle loro applicazioni. Opera in stretta connessione con l’Università e nell’ambito della collaborazione e del confronto internazionale.

• 20 Sezioni, 4 Laboratori Nazionali, 11 Gruppi collegati

• Istituito l'8 Agosto 1951 al fine di proseguire e sviluppare la tradizione scientifica iniziata negli anni '30 con le ricerche teoriche e sperimentali di fisica nucleare di Enrico Fermi.

Le aree di ricerca dell’INFNLa ricerca di base

Attività sperimentale:- fisica delle particelle con acceleratori (~732 FTE)- fisica delle particelle senza acceleratori,

astroparticelle, onde gravitazionali (~700 FTE)- fisica nucleare (520 FTE)Fisica teorica (~900 FTE)Ricerca tecnologica e applicazioni- Rivelatori- Elettronica- Macchine acceleratrici- Attività interdisciplinare

laboratori nazionalilaboratori internazionali (CERN, Fermilab, GSI, ...)

Iniziative di interesse diretto per fisica medica

Il patrimonio culturare dell’INFN• Acceleratori di particelle• Rivelatori di particelle• Elaborazione di modelli• Interazione radiazioni-materia• Tecnologia informatica

Tecnologia dei materialiMeccanicaElettronicaCriogenia....

Sofware simulazione/number crunchingManagement di grandi quantita’ di datiRetiCalcolo paralleloCalcolo distribuitoAnalisi dati: pattern recognition...

Settori Rivelatori, Elettronica e Informatica

Acceleratori Interdisciplinare

FTE 212 60 343Finanziamento

2009 (k€)1302 519 1804

Il settore tecnologico/interdisciplinare dell’INFN• Nel 2009: 608 Ricercatori Full Time Equivalent 584 nel 2007, 504 in media nel periodo 04-06, 384 in media nel periodo 01-03

Nell’’area “Interdisciplnare” sono molte le attività esplictamentedi interesse della fisica medica

le attività INFN volte all’applicazione della Fisica Nucleare e delle Particelle

alla Medicina• Terapia: Adroterapia e BNCT

• Macchine acceleratrici• Rivelatori e Dosimetria

• Imaging• Sistemi Avanzati di Calcolo e Simulazione

Comm. Scientifica Nazionale V

Progetto Strategico INFN-MEDPer valorizzare le esperienze con un R&D maturo verso

il trasferimento tecnologico industriale/clinico

•Negli anni ’90 l’INFN ha supportato TERA per i progetti di R&D.

• INFN, in collaborazione con l’Universita’ di Catania, ha realizzato presso i suoi Lab. Naz. Del Sud il primo centro di terapia con protoni italiano: CATANA

• Considerando il know-how dell’INFN soprattutto nel settore acceleratori, l’INFN partecipa alla realizzazione del CNAO

• Nel 2005 l’ INFN è stato incaricato dal Ministro della Salute di produrre un documento sulla prototerapia nel nostro paese.

INFN e Adroterapia

L’INFN considera strategico il coinvolgimento nellaricerca sull’adroterapia con ioni leggeri (12C)

Pazienti trattati:

~200

a partire 2002

Eye retention rate 95 %

TOTAL SURVIVAL 98 %

LOCAL CONTROL 95 %

CATANACentro di AdroTerapia e Applicazioni Nucleari

Avanzate

Radiologic InstituteUniversity of Catania

Ophthalmologic InstituteUniversity of Catania

INFN-Laboratori Nazionali del Sud

Il sincrotrone per p e 12C del CNAO

Terminati quasi tutti i tasks della Prima Convenzione INFN-CNAO

Nuovo accordo quadro: 31 marzo 2009

Proseguiranno tasks relativi a:• commissioning della macchina• monitoraggio dei fasci

Prossime attività:• Nuova sorgete per ioni (MISHA)• Collaborazione per attività sperimentazione clinica• Realizzazione area di ricerca

Energy C, 6Li, HeProtonsSectors

Rpole

<Bo><Bmax>Hill gap

Valley gapRF frequency

Outer DiameterWeight

300 AMeV 260 MeV

4132 cm3.15 T4.2 T

50 mm140 cm97 MHz4900 mm≈ 350 tons

Main ParametersProgettato in base all’estrapolazione dell’esistente

ciclotrone superconduttore

A 300 MeV/n Superconducting Cyclotron for

Ion Beam Therapy

Si sta pensando ad avviare il progetto di un nuovoCiclotrone a 400 MeV in collaborazione con la IBA

Le sfide per i piani di trattamento per la terapia con fasci di 12C

Nuclear Physics:Fragmentation of Projectile→primary attenuation→lighter fragments with longer range

Radiobiology:RBE of primary and fragments

Dosimetry:Mixed field complexity

Exp. Data (points) from Haettner et al, Rad. Prot. Dos. 2006,Lines: MC simulations (FLUKA)

Possible damage to healthy tissues outside the target volume

Piani di Trattamento in Adroterapia con Ioni

INFN e univ. Torino / INFN e univ. Milano / INFN e univ. Roma 3/ INFN‐Roma 2 /INFN‐ LNF /INFN‐LNS / INFN e univ. Napoli

Attività mista con:•Fisica nucleare (studio frammentazione)•Radiobiologia•Calcolo Monte Carlo

Realizzazione del software nell’ambienteindustriale prescelto (Elekta/CMS)

Inserito nell’ Oncology Information System” (OIS) all’interno delsistema MOSAIQ-RTP (Eleckta-CMS)

Monitoring in adroterapia L’alta selettività fisica della terapia con ioni impone una

maggior precisione nel monitoring del trattamento applicato.

Per questo sarebbe desiderabile avere informazioni in vivo sul range degli ioni, ma il loro completo stopping nel paziente impedisce i metodi usati in radioterapia convenzionale.

Possibilita’:• In-beam PET (DOPET- INFN and University of Pisa)

Protoni:• 16O (p,n) 15O 12C (p,n) 11C

T½15-O=121.8 s T ½ 11-C =1222.8 s

scarsa correlazione spaziale tra attivita’ β+ e profilo della dose

Ioni Carbonio: • X (12C, 11C+n) X X (12C, 10C+2n) X 16O (12C, X)

15O+n 12C (12C, X) 11C +n Τ ½ 10-C =19.3 s

Prototipo di tomografo PET in-beam

•Two planar heads,each with an active areaof 45 mm x 45 mm•Distance between theheads: 7+7 cm

• LYSO crystal matrix, 21 x 21 pixels 2.152 mm x 2.152 mmeach (Hilger Crystals)•Crystal thickness: 18 mm

• LYSO crystal matrix, 21 x 21 pixels 2.152 mm x 2.152 mm each (Hilger Crystals)•Crystal thickness: 18 mm •64-anode PMT (Hamamatsu)•“multiplexed” read-out electronics: 64-inputs/4 outputs

Sperimentazione su fantocci omogenei

e feasibility del range monitoring* Vecchio, S. et al, IEEE Conference record 2007, cdrom: m13-61.

* F. Attanasi et al., Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 591 (2008), 296–299

Longitudinal dose profiles

Longitudinal activity profiles

RivelatoriTHE MOPI ONLINE MONITOR

p beam

x-y ion. strip chambersMOPI

ionization chambers

Università di Roma “Tor Vergata”INFN – Sezione Roma 2

“S. Filippo Neri” Hospital

INFN – DIARAD Project (2008-2010)

Università Torino

INFN – Sezione Roma 3

Diamond Dosimeter

Single crystal diamond (tissue equivalent)V bias: 0 V (useful for in-vivo applications)Volume: < 0.1 mm3 (much lower than a pin-point IC/small fields)Sens. ~ 4 nC/Gy (about 10 times a pin-point IC)

CVD B-dopedCVD Intrinsic

HPHT substrate

Ag contact

Al contact

Electrons, Photons, Protons

Output

CVD B-dopedCVD Intrinsic

HPHT substrate

Ag contact

Al contact

Electrons, Photons, Protons

Output

•No energy dependence (tissue equivalent)•Limited dose rate dependence (0.98 < Δ < 1.04)•Small dimensions (good spatial resolution)

• Dosimetri SCD sono stati testati con successo inapplicazioni di adroterapia con protoni e ioni carobonio

• Risoluzione e prestazioni vantaggiose anche inapplicazioni IMRT

Development and characteriza-tion of synthetic single crystaldiamond based dosimeters forradiotherapy applications

ECORADprima realizzazione di un sistema di imaging duale composto dasonda Ecografica e test SPECT miniaturizzata a cristallo LaBr3(Ce)

La collaborazione ECORAD mira a sviluppare una camera duale compatta peracquisire contemportaneamente immagini ecografiche e scintigrafiche.Permettera’ quindi di avere sia informazioni funzionali che morfologiche con lostesso dispositivo

AIFM09 G. Battistoni 21

MIDdispositivo per la misura della quantità di ferro nel corpo umano sviluppato presso la sezione di Genova e già in operazione presso l’Ospedale Galliera (invece della biopsia).

.• Gli ultimi risultati (report 2008) indicano che é una terapia

efficace per:•Tumori testa-collo ricorrenti•Glioblastoma ricorrente•Melanoma maligno della pelle e delle mucose.

4 i centri reattoristici oggi attivi in BNCT, 4 di prossima apertura10 i progetti di sviluppo di acceleratori per BNCT, di cui 2 privati,

Attuali elementi di debolezza:Scarsa flessibilità operativa dei reattori oggi utilizzati

Grande incertezza nelle misure e nei protocolli dosimetriciCaricamento non ancora ottimale di 10B nelle cellule tumorali

La BNCT oggi

Boron Neutron Capture Therapy al reattore di Pavia

Dipartimento di Fisica Nucleare e Teorica Univ. di Pavia and INFN, Italy

WIDEST - ELBA250 KW TRIGA MARK IIOF PAVIA UNIVERSITY

The irradiaton facility

Liver metastases treatment by auto-transplantation method with organ irradiation in a neutron field (ELBA)

Studies to apply BNCT treatment to diffuse lung tumours using external epithermal neutron beams without explantation (WIDEST)

Preliminary studies to apply BNCT treatment to osteosarcoma of the extremities

Policlinico S. MatteoPavia

IL progetto SPES-BNCTbeam particle: protonbeam energy: 5 MeVbeam current: 30 mAbeam power: 150 kWDuty cycle: 100%

RFQ main specifications

150 kW neutron converter

Per il trattamento del melanoma maligno cutaneo

Iniziativa per fare il punto

WORKSHOP INFN sulle Sorgenti di neutroni e sulle loro possibili applicazioni

Laboratori Nazionali di Legnaro dell’INFN 17-18-19 Novembre 2009

ImagingCollaborazione MAGIC-5: INFN e Univ. Genova, Torino, Pisa, Napoli, Lecce, Bari, Univ. Sassari e INFN-Cagliari

Analisi di Immagini MedicaliMammografie per la diagnosi precoce di

cancro al seno (1998 -)

CT Polmonare per la diagnosi precoce di cancro al polmone (2004 -)

MRI Cerebrale per la diagnosi precoce del morbo di Alzheimer (2006 -)

Computing distribuito

14.5 m1.5m11º

10.0 m 5.4 m

quadrupolesdipoles

Diagnostic 1-6 Undulator modules

Photoinjector solenoidRF sections

RF deflectorcollimator

25º

25º

BeaTSSPARC @ LNF

Thomson back-scattering X-ray sourceQuasi-monochromatic beam

keVE X 80020÷=

Fasci di elettroni + laser

Possibilità di ottimizzare l’energia per la mammografia Risoluzione spaziale richiesta ~100 μm Flussi elevati ~107 γ/(mm2 s).

Anode Material Molybdenum

Anode Angle 12°

Anodic Voltage 28 kV

Filtrations

1 mm Be 0.03 mm Mo 600 mm Air

65 cm

Sviluppi per la mammografia

Radiobiologia• Lab. Nazionali di Legnaro• Lab. Nazionali del Sud• ROMA-3 e Univ. Roma 3• INFN e Univ. Federico II, Napoli• ISS (gruppo collegato con Roma 1)• INFN e Univ. Milan• Pavia

Sistemi Avanzati di Calcolo

Applicazione Monte Carlo• FLUKA• GEANT4

Uso del calcolo distribuito

Piani di trattamento innovativi

Fisica agli acceleratoriRaggi cosmiciFisica del nucleo Shielding

DosimetriaRadioprotezione

Fisica medica: radioterapia, imaging medicale, ottimizzazione, treatment planning, ……

L’INFN e la possibilita’ di offrirecollaborazione per ricerca al

fisico medico ospedalieroEsempio: collaborazione per simulazioni numeriche avanzata

TARGET

ION CHAMBERS

FLATTENER

JAWS

Medical Linear accelerator head simulationVarian DHX; 6 and 15 MeV for

INFN Milano con R. Moretti e P. Colleoni, Osp. Riuniti di Bergamo

Simulazione del Gamma Knife® Perfexion™ (Elekta)

INFN Milano con A. Torrsesin e M.G. Brambilla, Osp. Niguarda di Milano e ELEKTA

Sorgenti

Aria

Unità radianteTungsteno

Collimatori

2cm

Grazie per l’attenzione