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
Origini
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
Acceleratori di Elettroni
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,
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
120
E0=3.7 MeV, Ep0=4.48 MeV
100
E0=5.0 MeV, Ep0=5.32 MeV
Relative Dose (%)
80
E0=6.0 MeV, Ep0=6.48 MeV
60
E0=7.0 MeV, Ep0=7.79 MeV
40
20
0
0
10
20
30
40
Depth in water phantom(mm)
50
60
70
Brevetti IORT
Negli 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
Accanto alla produzione industriale del
Novac 7 da parte della Hitesys, cui
attualmente è subentrata la ditta NRT,
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
(NRT)
LIAC
(Sordina)
Stato attuale Macchine IORT
www.newrt.it
Attualmente circa
22 Macchine installate
e funzionanti in
Italia
Grecia
Germania
USA
www.sordina.com
Attualmente circa
23 Macchine installate
e funzionanti in
Italia
Spagna
Germania
Svizzera
Sudamerica
•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
Ulteriori sviluppi in campo IORT:Linac Banda C
Cavità in Banda S
www.adam-geneva.com
Cavità in
Banda C
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.
C-band X-Eye Linac at
CERN – ADAM Courtesy
C-band IORT Linac at
CERN – ADAM Courtesy
Adroterapia e Protonterapia
Picco di Bragg
•Adroterapia = radioterapia con protoni e
ioni
•Protonterapia = radioterapia con protoni
Assenza di
irradiazione
oltre una
certa
profondità
•Vantaggio rispetto alle altre tecniche:
Selettività spaziale che implica una
terapia conformazionale
•Maggior Risparmio degli organi sani
Protonterapia a modulazione di intensità: IMPT
Mutuando le tecniche radioterapiche più avanzate (IMRT) con
fasci di fotoni, si possono ottenere con i protoni
concentrazioni di dose ancora più conformi (IMPT).
7 campi con IMRT
2 campi con IMPT
Confronto
tra IMRT e
IMPT
DIFFERENZA TRA
IMRT E 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
Rapporto dell’AIRO del 2004: i tumori trattabili con PT sono
16000/anno
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
… si può stimare come necessario un numero di 4 o 5 centri di
protonterapia distribuiti per bacini di utenza di circa dieci milioni di
abitanti nelle diverse aree geografiche del nord, centro e sud dell’
Italia (AIRO – 2004)
Ostacoli alla diffusione della PT
Gigantismo
Costi di impianto
Costi di gestione
Ritorno economico tardivo
Radioterapia
Convenzionale
Area di sviluppo
di un impianto
moderno di
protonterapia
Riduzione di
Costi di impianto
Costi di gestione
Ritorno
economico
rapido
Adroterapia - CNAO
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
PMQ
Cavità
accoppian
te
• 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
Tank
accelerante
Struttura
SCDTL
Attività ENEA su acceleratori lineari per
protonterapia
SCDTL
PMQ
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
Attività ENEA su acceleratori lineari per
protonterapia
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.
PMQ
Coupling
Cavity
Accelerating
Tank
RF input
18
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)
IMPLART= Intensity Modulated Proton Linear Accelerator for
RadioTherapy
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 nota
Acceleratore 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
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.
IL PROGETTO TOP- IMPLART
Nel 2008 attivazione Progetto TOPIMPLART (Intensity Modulated
Proton Linear Accelerator for
RadioTherapy) con ISS e IFO
IL PROGETTO TOP- IMPLART
FASE 1 Obiettivo finale:
realizzazione di un centro per
protonterapia basato su un
acceleratore lineare da 230
MeV
Istituti coinvolti: ENEA
ISS,IFO
Industrie coinvolte:
FASE 2
NRT,CECOM,ADAM,TSC
Finanziamenti: finanziata
SCDTL
7 MeV
40 MeV
fase 1 fino a 150 MeV (11 M€
tramite convenzione ENEARegione Lazio)
LINAC2
LINAC1
INIETTORE
CCL1
150 MeV
CCL2
230 MeV
Energia
Stima costo totale:45 M€
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
FASE 1
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
Esempio di analisi di dinamica del fascio
Analysis of beam transmission and losses
Analysis of beam Emittance
Continuous Beam Energy variation
28
IMPLART-150 : Status
29
Evoluzione temporale
Evoluzione temporale
Evoluzione temporale
Evoluzione temporale
Modulo SCDTL1: 7-11.6 MeV presso CECOM
34
IMPLART-150
IMPLART-150+ Beam Delivery
IMPLART-230
IMPLART-230 + 3 Beam delivery
TOP IMPLART Layout
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
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
44
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.