Sviluppo acceleratori medicali all’ENEA

LUIGI PICARDI – C. RONSIVALLE UTAPRAD ENEA Frascati

Sommario

• Brevi cenni storici• Dai piccoli acceleratori di elettroni per IORT agli

acceleratori per protoni in ENEA• Adroterapia e protonterapia• I progetti SPARKLE, ISPAN e TOP IMPLART• Conclusioni

Il laboratorio acceleratori dell’ENEA a Frascati che oggi è

incluso nella Unità Tecnica Applicazione delle Radiazioni) (UTAPRAD) è una derivazione

del gruppo macchina dell’elettrosincrotrone di

Frascati degli anni ’60.-’70

Origini

Dopo la chiusura del sincrotrone, nel 1974, le competenze di fisica degli acceleratori di particelle presenti nel CNEN (ora ENEA) furono messe a disposizione della innovazione in campo applicativo e, in particolare, medicale.Lavorando sinergicamente con altri laboratori interni come quelli in Casaccia di Radiobiologia e di Metrologia delle radiazioni e con realtà esterne come ISS, INFN, IRCSS come l’IFO, ed Università,

Acceleratori di Elettroni

tali competenze furono trasferite alla Società HITESYS (ex Irvin Systems) di Aprilia. Ciò consentì la realizzazione del sistema per Radioterapia Intraoperatoria (IORT) NOVAC7 (prima macchina installata in un ospedale nel 1997)

La Radioterapia IntraOperatoria (IORT) La IORT è una modalità di trattamento radioterapico che consiste

nella somministrazione di una dose elevata (circa 1/3 di quella di una RT tradizionale) di radiazione al residuo tumorale o al letto tumorale esposto chirurgicamente tramite un fascio collimato di elettroni.

Peculiarità: possibilità dell’impiego diretto in sala operatoria

0

20

40

60

80

100

120

0 10 20 30 40 50 60 70Depth in water phantom(mm)

Rel

ativ

e D

ose

(%)

E0=3.7 MeV, Ep0=4.48 MeV

E0=5.0 MeV, Ep0=5.32 MeV

E0=6.0 MeV, Ep0=6.48 MeV

E0=7.0 MeV, Ep0=7.79 MeV

Brevetti IORTNegli anni ‘80 fu studiata in ENEA una struttura acceleratrice autofocheggiante basata sulla forma e lunghezza delle celle acceleranti, mediante la quale è stato possibile evitare il pesante solenoide di focheggiamento allora presente nei linac per RT:Questa invenzione fu inclusa nel brevetto principale della realizzazione della IORT (LT94A000012 del 19/9/1994), lasciato totalmente alla Hitesys come asset della ditta.Il sistema IORT fu corredato di altri due brevetti ENEA, negli anni successivi “Cavità a Ridotta Corrente Oscura ed Alta Efficienza per Testa Radiante, e Testa Radiante a Corrente Variabile per Apparecchiatura di Radioterapia Intraoperatoria” (RM2002A000283 -20/5/2002) “Dispositivo per il controllo dosimetrico di un fascio di particelle ionizzanti utilizzabile in particolare per Terapie oncologiche” (BO2003A000140 - 14/03/2003)

MACCHINE IORT

l’ENEA, tramite il PROGETTO IORT, finanziato nel 2000 dal MIUR-UE, ha realizzato il sistema IORT-1, prototipo della macchina LIAC attualmente prodotta dalla ditta SORDINA Piu’ di 40 macchine, tra NOVAC7 e LIAC, sono operative in strutture ospedaliere. Tali sistemi si stanno diffondendo anche sul mercato estero sia europeo che transoceanico. L’ENEA promuove ulteriori sviluppi.

NOVAC7 LIAC(NRT) (Sordina)

Accanto alla produzione industriale del Novac 7 da parte della Hitesys, cui attualmente è subentrata la ditta NRT,

Stato attuale Macchine IORT

www.sordina.comwww.newrt.itAttualmente circa22 Macchine installate e funzionanti in

ItaliaGrecia Germania USA

Attualmente circa23 Macchine installate e funzionanti in

ItaliaSpagnaGermania SvizzeraSudamerica

• Unico altro competitor in campo interazione: Mobetron della società INTRAOP• Mercato in espansione – ottimi risultati riferiti annualmente alla Conf Internaz ISIORT• Target principali: TUMORI DELLA MAMMELLA, TUMORI DEL RETTO LOCALMENTE

AVANZATI, TUMORI DELLO STOMACO ed altri

La società ADAM che, collabora anche con la NRT, ha commissionato ad ENEA uno studio per lo sviluppo di sistemi compatti in banda C (5712 MHz) finalizzati a diverse applicazioni tra cui la IORT. La banda C riduce pesi e dimensioni da metà a 1/3.

Ulteriori sviluppi in campo IORT:Linac Banda C

www.adam-geneva.com

Cavità in Banda S

Cavità in Banda C

C-band IORT Linac at CERN – ADAM Courtesy

C-band X-Eye Linac at CERN – ADAM Courtesy

Adroterapia e Protonterapia• Adroterapia = radioterapia con protoni

e ioni• Protonterapia = radioterapia con

protoni• Vantaggio rispetto alle altre tecniche:

Selettività spaziale che implica una terapia conformazionale

• Maggior Risparmio degli organi sani

Picco di Bragg

Assenza di irradiazione oltre una certa profondità

DIFFERENZA TRA IMRT E IMPT

7 campi con IMRT 2 campi con IMPT Confronto tra IMRT eIMPT

Mutuando le tecniche radioterapiche più avanzate (IMRT) con fasci di fotoni, si possono ottenere con i protoni concentrazioni di dose ancora più conformi (IMPT).

Protonterapia a modulazione di intensità: IMPT

Diffusione della PT nel mondo: Centri operativi al 2010

Diffusione della PT nel mondo: Centri operativi tra 2 anni

Diffusione della PT in Italia

… si può stimare come necessario un numero di 4 o 5 centri diprotonterapia distribuiti per bacini di utenza di circa dieci milioni di abitanti nelle diverse aree geografiche del nord, centro e sud dell’ Italia (AIRO – 2004)

Rapporto dell’AIRO del 2004: i tumori trattabili con PT sono 16000/annoCategoria A (tumori per cui la PT è elettiva):melanoma uveale e i tumori della base cranica e della colonna vertebrale (cordomi, sarcomi e meningiomi) Categoria B (tumori per cui la PT è vantaggiosa): prostata, polmone, fegato, esofago e distretto cervico-cefalico

Ostacoli alla diffusione della PTGigantismoCosti di impiantoCosti di gestioneRitorno economico tardivoRadioterapia Convenzionale

Adroterapia - CNAOArea di sviluppo di un impianto moderno di protonterapia

Riduzione diCosti di impiantoCosti di gestione

Ritorno economico rapido

Attività ENEA su acceleratori lineari per protonterapia

1993: L’ENEA partecipa alla Collaborazione Adroterapia (Amaldi 1991) • occupandosi dello sviluppo di acceleratori

compatti e della dosimetria• individuando nello sviluppo degli acceleratori

lineari una possibile alternativa alle macchine circolari

• Lavorando in Collaborazione con CERN e INFN

• Brevettando (RM95A000564 – 9/8/1995) un acceleratore lineare compatto da 200 MeV comprendente una sezione di tipo SCDTL a 3GHz per protoni

RF input

Cavitàaccoppiante

Tank accelerante

PMQ

StrutturaSCDTL

Consiste di corte DTL tanks accoppiate da cavità esterne poste fuori asse. I DTLs sono composti da 4 -7 celle lunfghe . Nello spazio tra le tanks in corrispondenza delle cavità esterne di accoppiamento vengono alloggiati piccoli (3 cm long, 2 cm o.d., 6-7 mm i.d.) PMQ (Permanent Magnet Quadrupole) per il focheggiamento trasverso

PMQ

Attività ENEA su acceleratori lineari per protonterapia

SCDTL

18

La principale differenza con proposte simili (Hamm et al., in 1991) consisteva nel segmento 7 – 70 MeV per il quale era prevista al posto di un 425 MHz DTL la nuova struttura compatta operante a 2.998 GHz chiamata SCDTL.

RF input

CouplingCavity

AcceleratingTank

PMQ

Attività ENEA su acceleratori lineari per protonterapia

Attività ENEA su acceleratori lineari per protonterapia

La struttura SCDTL,operando ad alta frequenza, consente di compattare le dimensioni dei DTL. Cio’ è reso possibile dalle basse correnti richieste dalla protonterapia (no problemi di carica spaziale),il che consente l’uso dell’alta frequenza.

Il Progetto TOP

1998-2005 La proposta di un acceleratore lineare innovativo da 200 MeV viene accettata dal Progetto TOP (Terapia Oncologica con Protoni) dell’ Istituto Superiore di Sanità

2 Convenzioni ENEA-ISS(2.6 M€) Realizzazioni: iniettore da 7 MeV prototipi moduli SCDTL

Il progetto TOP IMPLART (dal 2005)

Modularità: Composto da sottosistemi in sequenza finalizzati ad output sanitari. Costruzione secondo flusso dei finanziamenti e rapido raggiungimento del rimborso dal SSN o da Piani Sanitari Assicurativi.

Caratteristiche tecniche: Frequenza RF di 3 GHz -> compattezza,

tecnologia notaAcceleratore pulsato, naturalmente adatto

alla IMPT (Intensity Modulated ProtonTherapy)-> XYZ-SCAN

Fascio di alte qualità ottiche -> Magneti più compatti

Iniziativa italiana: Dotato di progetto e di brevetti. La realizzazione del prototipo da parte ENEA , in collaborazione con le imprese interessate (tra cui quelle che realizzano le macchine IORT), può consentire nel futuro la realizzazione di un marchio italiano, oggi assente a livello di mercato internazionale, nel settore degli acceleratori medicali

IMPLART= Intensity Modulated Proton Linear Accelerator for RadioTherapy

Interesse industriale: Il progetto SPARKLE Progetto soc. SPARKLE s.r.l – Casarano (Le) – 2008-2009 Ciclotrone commerciale IBA Cyclone18/9 per produzione di

radioisotopi tradizionali e sperimentali Progettazione e realizzazione di un booster lineare (1 sezione

SCDTL) per un ciclotrone commerciale da 18 MeV fino a 24 MeV per facility sperimentale trattamento animali

Interesse industriale: Il progetto ISPAN• Progetto ISPAN di NRT(Aprilia) a Frascati (2009)• La ricerca proposta dalla soc. NRT (Aprilia) in ATI con CECOM

(Guidonia) è mirata alla realizzazione di una facility di Irraggiamento Sperimentale con Protoni per modelli cellulari ed ANimali (ISPAN) presso il CR di Frascati (edificio Sincrotrone) e cioè di una facility di radiobiologia basata su acceleratore lineare di protoni.

• Il programma ISPAN (da circa 1.5 Meuro) approvato dalla FILAS per il triennio 2009-2011 prevede la partecipazione anche di ENEA e ISS.

• Le aziende NRT e CECOM intravedono l’opportunità della realizzazione delle strutture acceleranti per protonterapia nell’ipotesi di una realizzazione completa del progetto TOP IMPLART.

Nel 2008 attivazione Progetto TOP-IMPLART (Intensity Modulated Proton Linear Accelerator for RadioTherapy) con ISS e IFO

IL PROGETTO TOP- IMPLART

FASE 1

FASE 2

Obiettivo finale: realizzazione di un centro per protonterapia basato su un acceleratore lineare da 230 MeV

Istituti coinvolti: ENEA ISS,IFO

Industrie coinvolte: NRT,CECOM,ADAM,TSC

Finanziamenti: finanziata fase 1 fino a 150 MeV (11 M€ tramite convenzione ENEA-Regione Lazio)

Stima costo totale:45 M€

LINAC2LINAC1INIETTORESCDTL CCL1 CCL2

7 MeV 40 MeV 150 MeV 230 MeV

Energia

IL PROGETTO TOP- IMPLARTFASE 1

FASE 2

Parametri Valore Energie del fascio, Fase 1Energie del fascio, Fase 2

65 / 92-150 MeV65 / 92–230 MeV

Durata dell’impulso 1-3.5 usFrequenza di ripetizione 30 – 200 HzCorrente nell’impulso 0.1-50 uACorrente media 0.12-87.5 nADimensione minima / tipica del fascio

3Hx2V/7Hx7V mm

Emittanza normalizzata RMS 0.2 mm-mrad

Composizione di 392 impulsi ciascuno da spot 7x7 per 8 slices

PARAMETRI DI MACCHINA E UTILIZZO

Parametri di progetto relativi alla fase 1Valore Unità di misura

Profondità max in tessuto 15 g/cm2

Energia dei protoni (max) 150 MeVVariabilità a step 65 -150 MeVVariabilità dinamica 90 -150 MeVDose 1-10 Gy/min

La fase 1 prevede la realizzazione di un impianto da 150 MeV, completo delle “facilities” di rilascio di dose per il trattamento dei tumori superficiali e semi-profondi.

FASE 1

28

Esempio di analisi di dinamica del fascioAnalysis of beam transmission and losses

Analysis of beam Emittance Continuous Beam Energy variation

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IMPLART-150 : StatusPrototipo finanziato dalla Regione Lazio

Injector 7 MeV

SCDTL 7-12 MeV

ADAM LIGHT 30-41 MeV

15 MW Klystron

Evoluzione temporale

Evoluzione temporale

Evoluzione temporale

Evoluzione temporale

34

Modulo SCDTL1: 7-11.6 MeV presso CECOM

IMPLART-150

IMPLART-150+ Beam Delivery

IMPLART-230

IMPLART-230 + 3 Beam delivery

TOP IMPLART Layout

III livello

II livello

I livello

Layout finale presso IFO

TOP IMPLART versione finale

Il progetto prevede a regime 3 sale di trattamento una per i tumori semi-profondi e due per i tumori profondi. I trattamenti verranno effettuati senza l’uso del Gantry, ma con il paziente sistemato su di un dispositivo sedia/lettino in corso di sviluppo in collaborazione con un’industria pugliese (ITEL).

ASPETTI Finanziari

• Finanziamento determinato da Convenzione Operativa ENEA-Regione Lazio (con avallo ISS e IFO) del 6/10/2010 registrata in Regione il 29/11/2010• Attesa invano nel 2011 erogazione della prima rata (2.5 ML)• Richiesta di accordo su PI nel 2012 per cessione PI al 51% alla Regione Lazio• Accordo firmato a Luglio 2012 tra ENEA, ISS, IFO e Regione Lazio• La prima rata (2.5 ML) dovrebbe essere stata erogata il 26/11/2012

ASPETTI innovativi e di interesse industriale • Le caratteristiche peculiari di questa macchina:

• Modularità• Tecnologia a 3 GHz a partire da 7 MeV• IMPT e scanning attivo 3D• Semplificazione del sistema di indirizzamento del fascio al

paziente•ma soprattutto la possibile diminuzione dei costi di impianto (fino a 5-10 Meuro/sala di trattamento) tutt’oggi stimolano interesse imprenditoriale fa parte di finanziatori (soprattutto stranieri). Si ritiene che nel futuro tutta la RT possa essere effettuata con protoni.

Single Output facility

44

In una situazione di Green field le basse perdite di fascio (35% di trasmissione) e la lbassa energia delle particelle che si perdono consentono di pensare ad un acceleratore schermato localmente con una singola uscita. Lo schermaggio pesante è richiesto solo nella sala di trattamento

Conclusioni

• L’ENEA ha indirizzato le sue competenze nel campo degli acceleratori verso il settore delle macchine medicali

• Tramite il trasferimento del Know-how all’industria L’ENEA ha promosso la diffusione della tecnica IORT e la espansione di due industrie italiane leader internazionali nel campo

• Una strada analoga si sta percorrendo nel più complesso campo della protonterapia verificando che c’è una risposta adeguata da parte del mondo industriale il quale intravede buone prospettive di mercato.