La terapia con protoni:
aspetti tecnologici, fisici e
dosimetrici – parte 2
(… uno sguardo allo scanning dinamico e agli aspetti correlati )
21/11/2009 Convegno Protonterapia
Convegno
Protonterapia: il progetto ERHA
E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici
21 Novembre 2009 / Ruvo di Puglia
Evaristo Cisbani
Dipartimento Tecnologie e Salute
Istituto Superiore di Sanità
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• 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)
21/11/2009 Convegno Protonterapia
• Un elemento fortemente caratterizzante un
sistema di protonterapia
E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici
Scanning Dinamico (3+1)D
– Intensità (dose istantanea rilasciata)
G. Coutrakon et al PAC1999 pg.11
 Terapia altamente conformazionale
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rispetto a sistemi passivi
• Maggiore flessibilità del piano di trattamento
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Scanning Dinamico / Benefici
• Indicato per trattamenti pediatrici
• Dose tipica nei tessuti sani ~10 volte inferiore
• Minore attivazione dei componenti del fascio
E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici
• Minore produzione di particelle di fondo (meno neutroni
secondari)
• Si evita la realizzazione di assorbitori ad hoc per il paziente
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• 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)
21/11/2009 Convegno Protonterapia
• Maggiore flessibilità, ma anche maggiore rischio di
coinvolgere regioni sane
E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici
Scanning Dinamico / Complicazioni
• Beam delivery più sofisticato
• Monitoraggio fascio real-time con feedback
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E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici
+ sistema di delivery, ….
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Scanning Dinamico / Impatto su
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• 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
21/11/2009 Convegno Protonterapia
Competenze Specifiche @ ISS / Dip. Tesa
Rapporto ISTISAN 2004/40 ( http://www.iss.it/publ )
• Biofisica delle radiazioni ionizzanti
• Piani di trattamento
• Dosimetria
E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici
collaborazione con: Fondazione TERA / ENEA / IRE
• Diagnostica di fascio
• Imaging
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Studi collegati agli effetti sui tessuti sani irradiati
Studi collegati a meccanismi di tipo bystander
Valutazione dell’RBE per i diversi end point
biologici
CN
 Induzione e riparazione
del danno al DNA
 Induzione di
micronuclei
 Effetto letale in cellule
direttamente irradiate e
nella loro progenie
Migliorare i piani di
trattamento
1Gy/20 min
Sviluppo di test predittivi della risposta
al trattamento radioterapeutico
 Individuare possibili marker
molecolari di danno genotossico
predittivi del danno cellulare
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Studi collegati alla sterilizzazione del tumore
E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici
Radiobiologia con protoni @ ISS
 Valutare correlazioni tra danno
cellulare, danno cromosomico e
danno molecolare
Studi pioneristici su effetti biologici dei protoni dagli anni 80
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1) Fascio estratto in aria praticamente monoenergetico
Simulazione del trasporto
del fascio lungo la linea
utilizzando il codice di
calcolo TRACE e il codice
Montecarlo SRIM
(FWHM / Em < 0.03)
300
Count
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%.
s = 48 keV
Em = 6940 keV
200
100
3) Fascio orizzontale per un certo numero di energie
0
6800
6900
7000
7100
E(keV)
4) Intensità di corrente del fascio estratto variabile
nell’intervallo 0.1 pA ai 1 nA.
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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y(mm)
La divergenza del fascio estratto in aria deve essere
minore di 35 mrad
Distribuzione di energia del
fascio estratto in aria
E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici
Fascio di protoni per esperimenti in vitro e in vivo:
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Radiobiologia con protoni / Requisiti
0
-15
-15
0
15
z(mm)
Vista trasversale del
fascio estratto in aria
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• 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
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• Simulazioni Monte Carlo per verifiche dosimetriche,
benchmark di sistemi commerciali per TPS,
collaborazione allo sviluppo di un TPS dedicato
E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici
Piani di Trattamento @ ISS
Sistemi per calcolo intensivo su GPU
Necessità di diffusione del calcolo complesso in ambito ospedaliero
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•
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:
•
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
Richieste: accuratezza <5%, precisione <2%
21/11/2009 Convegno Protonterapia
Sviluppo e caratterizzazione di sistemi per dosimetria
assoluta e relativa di fasci di protoni:
E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici
Dosimetria @ ISS
1
0
• Risposta rapida (tra impulsi)
• In grado di fornire feedback al sistema di
controllo
• Buona risoluzione spaziale (< millimetro)
• Ampio range dinamico
• Buona sensibilità
21/11/2009 Convegno Protonterapia
• Real-Time
E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici
Monitor per diagnostica di fascio / Requisiti
• Minimo materiale
• Modesto ingombro (va posta vicino al paziente)
1
1
Prototipo 1
Pad-like x/y readout con pitch 600 mm
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Intende fornire:
posizione, direzione e profilo di intensità del fascio
(indirettamente la dose che si sta per rilasciare)
E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici
Camera a ionizzazione per diagnostica
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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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)
Carica Iniettata (pC)
> 4 ordini di grandezza
0.03
Prototipo 0
Cambio portata
In corso di
realizzazione
versione compatta
per camera a
micropattern
Risposta (u.a.)
Errore Relativo (%)
21/11/2009 Convegno Protonterapia
Elettronica discreta con trans-impedenza Q/V e
tecnica multiportata
E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici
Diagnostica / risultati sul prototipo 0
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E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici
21/11/2009 Convegno Protonterapia
Imaging / Validazione del trattamento
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 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 …
21/11/2009 Convegno Protonterapia
(ovvero da dove iniziare)
E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici
In conclusione
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