Acceleratori per terapia
oncologica
Attività nel CR ENEA-Frascati
Concetta Ronsivalle – UTAPRAD-SOR ENEA Frascati
Workshop – “Oncogenesi: tra scienza e clinica
medica”
ENEA-Frascati,Aula Brunelli 10-11 giugno 2010
Sommario
• Acceleratori lineari di elettroni per
RadioTerapia Intraoperatoria (IORT)
• Acceleratori lineari di protoni per
protonterapia
• Conclusioni
Acceleratori lineari di elettroni
Competenze ENEA nello
sviluppo di acceleratori
medicali:
• Competenze teoriche e progettuali:
- Modellistica degli acceleratori per
elettroni e protoni, dalla sorgente al beam
delivery
- Progettazione e analisi delle
problematiche degli impianti di
acceleratori per uso medicale
• Competenze sperimentali e
realizzative:
- Impianti di radiofrequenza di alta
potenza
- Sintonia di strutture acceleranti e
misure RF
-Impianti da ultra alto vuoto,
diagnostiche e sicurezze
• Anni ’80-’90: azione di
trasferimento del knowhow all’industria
nazionale nel campo della
costruzione di piccoli
acceleratori lineari di
elettroni.
• Tale competenza
trasferita alla Società
HITESYS di Aprilia
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 di radiazione al residuo tumorale o
al letto tumorale esposto chirurgicamente ad un
fascio collimato di elettroni.
• Peculiarità:
- impiego diretto in sala operatoria
- tempi di irradiazione brevissimi (<1 min)
- dose unica (~20 Gy)
- limitate misure radioprotezionistiche in sala
operatoria
• Vantaggi:
- Irradiazione immediata
- Manipolabilità della zona da irradiare
- Migliore effetto radiobiologico:
(Iort 21 Gy
52 Gy frazionata)
- Risparmio di tempo: un singolo trattamento IORT
sostituisce 5 settimane di radioterapia a fasci esterni
- Drastica riduzione dei tempi di attesa
La Radioterapia IntraOperatoria (IORT):
Studi-Risultati
Applicazioni IORT consigliate (ISIORT Madrid 10-13 giugno
2008):
TUMORI DELLA MAMMELLA (Veronesi-Lesti):
Donne >50 anni
Tumori < 2,5 cm
Dose singola applicata al quadrante 21 Gy
-Recidive locali a 5 anni: 2 - 2,2% contro i 6 - 8% con rtp esterna
TUMORI DEL RETTO LOCALMENTE AVANZATI (Doglietto-Valentini):
Come boost, in combinazione con Rtp esterna e chemio
Cancro del retto medio basso T3
-Sola chirurgia a 5 anni:
23,2% recidive e 52,2% sopravvivenza
-Chemio + IORT a 5 anni:
6,6% recidive e 73,0% sopravvivenza
TUMORI DELLO STOMACO (Takahashi - Abe):
211 pazienti
-II STADIO: a 5 anni sopravvivenza 84% (IORT) vs 62% (no IORT)
-III STADIO: a 5 anni sopravvivenza 62% (IORT) vs 37% (no IORT)
-IV STADIO: a 5 anni sopravvivenza 15% (IORT) vs 0% (no IORT)
IL NOVAC7
La testa radiante (cannone elettronico+acceleratore lineare) è
montata su di un sistema robotizzato che ne assicura la
completa mobilità
Guida
d’onda
flessibile
Alimentatore a
radiofrequenza
Testa radiante
Cono di collimazione
in plexiglas
SSD = 80 cm
40 mm
SSD = 80 cm
60 mm
SSD = 80 cm
80 mm
100 mm
Ogni diametro ha tre angoli di taglio
0°
22.5 °
45 °
La struttura accelerante del
NOVAC7
• Energie nominali 3-5-7-9 MeV
• Corrente di picco
1.5 mA
• Frequenza di ripetizione 1-30 Hz
• Durata dell’impulso 4 µsec
• Frequenza RF
2.998 GHz
• Tipo di Struttura SW OAC
in rame OFHC brasata
• No. cavità acceleranti
11
• Lenti magnetiche
nessuna
• Lunghezza
50 cm
• Peso
25 Kg
550 mm
• Autofocheggiamento
4mm
Computed spot size
at linac output
• Bassa radiazione di fondo
Le perdite di fascio si hanno prevalentemente
nella prima cavità a bassa energia
60
<E>=127 KeV
50
perdite di corrente (%)
Calcolo delle perdite nel NOVAC7
40
30
<E>=407 KeV
20
<E>=18 KeV
10
<E>=50 KeV
0
anodo cav1
cav2
cav3
cav4
cav5
cav6
cav7
cav8
cav9 cav10 cav11
Scudo
assorbitore
della
radiazione
diffusa dal
paziente
NOVAC7: caratteristiche
dosimetriche
- Riproducibilità dell’output a lungo termine
 2%
- Riproducibilità dell’output a breve termine
 1%
- Uniformità del campo
 5%
- Simmetria del campo
 2%
- Riproducibilità del sistema dosimetrico a breve
termine
 1%
- Linearità del sistema dosimetrico
 1%
- Coda di Brehmsstrahlung
 0.2%
120
E0=3.7 MeV, Ep0=4.48 MeV
Uniformità trasversa della dose
100
E0=5.0 MeV, Ep0=5.32 MeV
100
Relative Dose (%)
80
80
E0=6.0 MeV, Ep0=6.48 MeV
60
60
E0=7.0 MeV, Ep0=7.79 MeV
40
40
20
20
0
0
0
10
20
30
40
Depth in water phantom(mm)
50
60
70
-50
-40
-30
-20
-10
0
mm
10
20
30
40
50
%
1999-2003: Il Progetto IORT
• Sistema IORT innovativo con destinazione in
un Ospedale del Sud Italia
• Sviluppo sistemi dosimetrici dedicati
• Modellizzazione in RV del processo IORT
• 4 M€ da MIUR-UE
• Coordinamento
ENEA
• Partners:
IFO
Consorzio CETMA,
Università di Bologna
• 2 brevetti
IORT-1
Macchina
commerciale LIAC
Dal 2007: collaborazione con la NRT,
attuale possessore del marchio NOVAC
Tra i temi di collaborazione:
Tipo di catodo
Sviluppo cannone
elettronico per linac-IORT
Dispenser
Raggio del catodo
0.4 mm
Massima tensione anodica
13 KV
Corrente
3 mA
Distanza catodo-anodo
14 mm
0.002 Perv
Perveanza
Diametro del fascio iningresso al linac
0.25 mm
Filamento
Tensione di riscaldamento
57V
Potenza massima
3W
Corrente
350 mA
Ottimizzazione
numerica della
geometria del
cannone:
equipotenziali e
traiettorie
elettroniche
Recenti sviluppi per acceleratori
compatti
Cavità in Banda S
Sviluppo di linacs in
banda C (F=5712 MHz) in
collaborazione con la
società ADAM di Ginevra
Cavità in
Banda C
Applicazione: LINAC
IORT da 12 MeV
Prototipo di linac in Banda C
(realizzato presso TSC, Fiumicino) in
misura su banco RF
Attività ENEA su acceleratori lineari
per protonterapia
• 1993: Il Laboratorio Acceleratori dell’ENEA partecipa alla
Collaborazione Adroterapia (Amaldi 1991)
• 1994: Invenzione della struttura
PMQ
Cavità
accoppiante
SCDTL a 3GHz per protoni
di bassa energia (Brevetto ENEA)
• 1996: Proposta di un acceleratore lineare
Tank accelerante
RF input
innovativo da 200 MeV nel GREEN BOOK
(eds. Amaldi, Picardi, Grandolfo)
• 1998-2005 Progetto TOP (ENEA-ISS-IFO)
2 Convenzioni ENEA-ISS (2.6 M€)
Realizzazioni: iniettore da 7 MeV e prototipo modulo SCDTL
•
Anni successivi: attivazione Progetto TOP-IMPLART
(Intensity Modulated Proton Linear Accelerator for
RadioTherapy)
Razionale dell’impiego della protonterapia
•Vantaggio rispetto alle altre tecniche:
Selettività spaziale
Terapia
conformazionale
•Trattati circa 45000 pazienti
• Tumori trattabili:
Categoria 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
7 campi con
IMRT
2 campi con
IMPT
Confronto
tra IMRT e
IMPT
IMRT-IMPT
Mutuando le tecniche
radioterapiche più avanzate
con fasci di fotoni,si possono
ottenere con i protoni
concentrazioni di dose ancora
più conformi.
SOLO IMPT
IL PROGETTO TOP- IMPLART
• Obiettivo finale:
FASE 1
realizzazione di un centro
per protonterapia basato
su un acceleratore
lineare da 230 MeV
• Istituti coinvolti: ENEA
(unità tecniche: APRAD,
BIORAD), ISS,IFO
FASE 2 • Industrie coinvolte:
NRT,CECOM,ADAM
SCDTL
7 MeV
40 MeV
• Finanziamenti:
finanziata (11 M€ tramite
LINAC2
LINAC1
INIETTORE
CCL1
150 MeV
CCL2
230 MeV
Energia
convenzione ENEA-Regione
Lazio) fase 1 fino a 150
MeV
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.
Parametri di progetto relativi alla fase 1
Valore
Unità di misura
Profondità max in tessuto
15
Energia dei protoni (max)
150
MeV
Variabilità a step
65 -150
MeV
Variabilità dinamica
90 -150
MeV
Dose
1-10
g/cm2
Gy/min
L’acceleratore IMPLART-150
Iniettore PL7 (ACCSYS)
425 MHz, 7 MeV
installato a Frascati
Prototipo modulo
SCDTL 7-12 MeV
Parametri di macchina e utilizzo
Parametri
Valore
Energie del fascio, Fase 1
Energie del fascio, Fase 2
65 / 92-150 MeV
65 / 92–230 MeV
Durata dell’impulso
1-3.5 us
Frequenza di ripetizione
30 – 200 Hz
Corrente nell’impulso
0.1-50 uA
Corrente media
0.12-87.5 nA
Dimensione minima / tipica del 3Hx2V/7Hx7V mm
fascio
Emittanza normalizzata RMS
Composizione
di 392 impulsi
ciascuno da
spot 7x7 per 8
slices
0.2  mm-mrad
Schema di variazione
dell’energia
ASPETTI INNOVATIVI
•Modularità
•Tecnologia a 3 GHz a partire da 7 MeV
•IMPT e scanning attivo 3D
•Semplificazione del sistema di indirizzamento
del fascio al paziente
• Radioterapia + radiobiologia
Installazione presso il CR Frascati
(sito di test)
TOP-IMPLART 150 MeV
Primi esperimenti di radiobiologia a 7 e a 17.5 MeV (primi
2 moduli SCDTL) nell’ambito del Programma ISPAN
Collocazione finale (presso IFO)
Conclusioni
Sono state descritte due attività che hanno nell’ENEA il
cuore della competenza di alta tecnologia e che
promuovono lo sviluppo della radioterapia oncologica
più moderna:
1-Piu’ di 40 macchine tra NOVAC7 e LIAC, i due sistemi IORT nati
dalla collaborazione tra l’ENEA e industria nazionale, sono
operativi in strutture ospedaliere e si stanno diffondendo anche sul
mercato estero. L’ENEA continua a promuovere ulteriori sviluppi.
2- Tramite il Progetto TOP-IMPLART verranno sviluppate nuove
tecnologie finalizzate
• alla effettuazione di IMPT e scanning attivo 3D
• all’effettuazione di ricerca radiobiologica e radioclinica
• alla riduzione dei costi di impianto e dell’impatto economico e
ingegneristico
• all’utilizzo di nuove tecnologie sfruttando le realtà già operative nel
campo della IORT