L’acceleratore lineare TOPIMPLART per protonterapia
Concetta Ronsivalle - ENEA UTAPRAD
(Unità Tecnica Applicazioni delle RADiazioni)
collaborazione
Progetto TOP-IMPLART:
XVI CONVEGNO NAZIONALE DELLA SOCIETÀ ITALIANA PER
LE RICERCHE SULLE RADIAZIONI (SIRR)
Pavia, 7-8 novembre 2014
Sommario







Acceleratori per protonterapia
Il Progetto TOP-IMPLART
L’acceleratore di protoni TOP-IMPLART
Layout attuale
Attività sperimentale
Sviluppi
Conclusioni
La protonterapia
Vantaggi della
protonterapia rispetto alla
terapia con fotoni:
Selettività spaziale
Dose più bassa agli organi sani
circostanti
7 campi con IMRT
Mutuando le tecniche radioterapiche
più avanzate (IMRT) con fasci di
fotoni, si possono ottenere con i
protoni concentrazioni di dose
ancora più conformi (IMPT).
2 campi con IMPT
IMRT-IMPT
Acceleratori per protonterapia
Particle therapy facilities in operation
PTCOG STATISTIC (www.ptcog.ch):
Total facilities in operation 48
Patient statistic (end 2013):
Total for all facilities (in and out
operation): 122449
105743 (only protons)
16
14
12
10
8
6
4
2
0
Ciclotroni 28
Ion
Centers
8
Proton
Centers
40
Sincrotroni 11
28
11
Sincrociclotroni 1
1
Cyclotrons
Synchrotrons
Synchrocyclotrons
Acceleratori per protonterapia
Acceleratori per protonterapia
- Occorre puntare alla riduzione dei costi di
impianto e trattamento
- Macchine meno costose, più efficienti, più
compatte
- Trattamenti di minore durata
PRICE
FOOTPRINT
COST PER
TREATMENT
PATIENTS PER
YEAR
PHOTONS
2-3.5 MUSD
100 m2
400 Euro
PROTONS
20-35 MUSD
200-400 m2
1000 Euro
2.500.000
12.000
M. Schillo (Varian)
Conf. IPAC14
Acceleratori per protonterapia
Macchine alternative a ciclotroni e sincrotroni:
Sincrociclotroni
compatti
MEVION S250
 FFAG
 FULL LINAC (Progetto TOP-IMPLART)
 CYCLINAC
 Dielectric wall accelerators
 Sorgenti laser
Il Progetto TOP-IMPLART
Obiettivo: Realizzazione di un centro di
protonterapia basato su un acceleratore di protoni
completamente lineare fino a 230 MeV da istallarsi
presso IFO a Roma
Condotto da:
ENEA (acceleratore,radiobiologia cellulare e
animale)
ISS (dosimetria,monitoraggio fascio,
radiobiologia cellulare)
IFO (utente finale,requisiti clinici, treatment
planning,schermature)
Il Progetto TOP-IMPLART
IFO-Roma
Il Progetto TOP-IMPLART
Finanziata dalla Regione Lazio per 11 M€ la
realizzazione del prototipo di acceleratore lineare da
150 MeV da installarsi presso l’IFO dopo essere stato
provato presso ENEA- Frascati:
 2010: siglato l’accordo tra ENEA, ISS, IFO e Regione
Lazio
 inizio 2013: start-up del Progetto con un
finanziamento di 2.5M€
 giugno 2014: erogazione di ulteriori 2M€
Coinvolgimento industrie nazionali
(prevalentemente laziali): CECOM, NRT R&D, SIT, TSC
Il Progetto TOP-IMPLART
Prototipo
finanziato dalla
Regione Lazio
Sito di test:
CRE ENEA-Frascati
Ed. ex SINCRO
Origini del Progetto
TOP (Terapia Oncologica con Protoni)-IMPLART (Intensity Modulated
Proton Linear Accelerator)
 1993: Il Laboratorio Acceleratori ENEA partecipa alla collaborazione
Adroterapia (Amaldi)
Coupling
Cavity
 1994-1995: Invenzione
PMQ
della struttura SCDTL a 3 GHz per
protoni di bassa energia
(Brevetto ENEA)
Accelerating
 1996: Proposta di un acceleratore lineare
innovativo da 200 MeV in collaborazione con
TERA/CERN
SCDTL
Tank
RF input
Origini del Progetto
1998-2005 Disegno accettato dal Progetto TOP (Terapia Oncologica con
Protoni) dell’ISS.Collaborazione ENEA,ISS,IFO
2 Convenzioni ENEA-ISS (2.6 M€) acquisto iniettore,sviluppo preprototipi linac
a 3 GHz
2005-2008 revisione del Progetto,ricerca fondi. Rinominato il Progetto
con aggiunta di IMPLART
In parallelo attività ENEA nel campo degli acceleratori
medicali per IORT: trasferimento know-how a industria
nazionale (Hitesys,poi NRT e SORDINA oggi SIT)
divenuta leader mondiale nel settore: (80 macchine in
Italia e all’estero).
SCDTL
LINAC TOP-IMPLART:sezione bassa
energia
 Iniettore commerciale ACCSYS-HITACHI (frequenza di
operazione 425 MHz), modello PL7: Sorgente
duoplasmatron (30 keV)+RFQ (3 MeV) +DTL (7 MeV).
Modificato per operare a bassa corrente
 LEBT verticale (include un magnete a 90 gradi) dedicata a
esperimenti di radiobiologia
 LEBT orizzontale (4 quadrupoli elettromagnetici)
Layout attuale: l’iniettore
C
B
A
D
A) Source
B) RFQ
C) DTL
D) RF supply
lente
1.Sorgente con limitatore di
corrente (diaframma) Imax=150 uA
2. Intensità variabile tramite una
lente elettrostatica prima dell’RFQ
che attualmente si sta rendendo
pulsata
Layout attuale:linea verticale
Holder di acciaio (=13 mm) contiene
cellule (spessore 6µm ) su Mylar (spesso
60µm) con il loro terreno di coltura
69 cm
Magnete a
90°
Finestra di Kapton 50 µm
Lamina d’oro da 2 µm
Collimatore di alluminio ( =2 mm)
Linea dedicata a
esperimenti
di radiobiologia “in vitro”
Attività sperimentale:radiobiologia
Irraggiamento di cellule V79
al variare della dose (0.5-8
Gy) per diverse energie del
fascio e “dose rate”.
Primi test:
Energia=5 MeV (LET=7.7 keV/µm)
frip=6.25 Hz
Dose rate=2 Gy/min
Dosimetria
con pellicole
gafcromiche
EBT3
Attività sperimentale:radiobiologia
POSTER
LINAC TOP-IMPLART:sezione media
energia (7-35 MeV)
4 moduli SCDTL
operanti a 3 GHz
alimentati da un
klystron da 10 MW
di potenza
La struttura SCDTL (Side Coupled
Drift tube Linac) nasce dalla
necessità di compattare strutture di
tipo DTL. La protonterapia richiede
di accelerare correnti molto basse
(no problemi di carica spaziale) il che
consente l’uso di alta frequenza RF.
Layout attuale:modulo SCDTL-1
SCDTL-1
Numero di tanks 9
acceleranti
Lunghezza
1.1 m
Raggio del foro 2 mm
di passaggio dei
protoni
Potenza in
1.3 MW
ingresso
Energia iniziale 7 MeV
Energia finale
11.6 MeV
realizzato da CECOM (Guidonia)
PMQ
tank
PMQ smontabili
interno tank
Attività sperimentale: test acceleratore
alta frequenza (modulo SCDTL-1)
Output beam
current
Spot del
fascio
di protoni
all’uscita di
SCDTL-1
10
mm
Attività sperimentale: test acceleratore
alta frequenza (modulo SCDTL-1)
6000
1000
il 43% del
fascio in uscita
ha una energia
superiore a 11
MeV.Il picco è
attorno a
11.63 MeVa
5000
4000
3000
2000
1000
0
5
6
7
8
9
energy(MeV)
10
11
12
Misura di energia
in Al (curva di
trasmissione
vs spessore crescente
di Alluminio)
800
700
600
500
400
300
200
100
0
11
11.6
11.1
11.2
11.3
1.2
0.8
0.6
11.4 11.5 11.6
energy(MeV)
11.7
11.8
Measurements
0.4
computed transmission curve
for 11.6 MeV
0.2
0
630
660
690
11.9
Corrente
accelerata=
15 µA
1
Transmission
tramite misura range
900
720
750
Al (um)
780
810
840
12
LINAC TOP-IMPLART:sezione alta
energia (35-150 MeV)
4 moduli di tipo CCL
(Coupled Cavity
Linac) ciascuno
alimentato da una
singola unità RF
(klystron da 10
MW)
Varie
strutture
CCL sono
state
costruite in
ENEA e
impiegate
per linac a elettroni.
Per acceleratori di
protoni modelli
sono stati
sviluppati da TERA
e INFN-Napoli a
60 e 30 MeV. La
società ADAM,
spin-off del CERN ha costruito un modulo
a 30 MeV
LINAC TOP-IMPLART:sezione alta
energia (35-150 MeV)
4 moduli di tipo CCL
(Coupled Cavity
Linac) ciascuno
alimentato da una
singola unità RF
(klystron da 10
MW)
Energia variata in
maniera attiva
sopra gli 85 MeV
spegnendo le s
Singole unità RF e
variando la potenza
nell’ultimo modulo
acceso
Caratteristiche e peculiarità
Acceleratore pulsato (durata impulso: 4 µsec)
naturalmente adatto alla IMPT: XYZ scan e
possibilità di variare la corrente da impulso a
impulso
Frequenza di ripetizione: (tipica) 100 Hz (max 200
Hz)
 Carica 3·108 – 106 protoni/impulso
 Variazione rapida di energia (limitata dalla velocità
dei magneti)
 Perdite di corrente a bassa energia
Fascio di alte qualità ottiche -> Magneti più compatti
Caratteristiche e peculiarità
 MODULARITA’:
Composto da sottosistemi in sequenza finalizzati ad
output sanitari. Costruzione e test secondo flusso dei
finanziamenti e rapido raggiungimento del rimborso dal
SSN o da Piani Sanitari Assicurativi.
 TECNOLOGIA A 3GHz A PARTIRE DA 7 MEV:
Compattezza e tecnologia già nota
 INIZIATIVA ITALIANA:
Collaborazione tra istituti nazionali
Brevetti
Trasferimento di tecnologie alle imprese interessate (tra
cui quelle che realizzano le macchine IORT)
Progetto TOP-IMPLART:scala temporale
Inizio 2015: 27 MeV
Metà 2015: 35 MeV. Verifica
da parte della commissione
individuata dalla Regione
Lazio del raggiungimento
della milestone stabilita
(energia attorno a 30 MeV)
per erogazione terza
“tranche” (€ 6.5M)
Metà 2016: energia di
interesse clinico
Metà 2017: 150 MeV.
Sviluppi:"single room facility"
Le perdite di fascio
confinate alla parte di
bassa energia suggeriscono
la possibilità di realizzare
un acceleratore compatto
localmente schermato,con
una singola uscita
Sviluppi:altre iniziative derivate
Sono stati avviati 2 programmi di interesse industriale
basati sullo schema dell’acceleratore TOP-IMPLART:
LIGHT da società ADAM
(Ginevra) spinoff del
CERN recentemente acquistata da AVO Oncotherapy,
(England)
ERHA da ITEL
(Ruvo di Puglia) che ha siglato
recentemente un accordo di collaborazione con l’INFN
Entrambe le società hanno stipulato dei contratti con
ENEA per lo studio di fattibilità della prima parte del linac
(SCDTL) e le simulazioni della dinamica del fascio
Conclusioni
Primi risultati dell’attività sperimentale relativa alla realizzazione del
prototipo dell’acceleratore TOP-IMPLART:
 Messa in opera della linea verticale, precise calibrazioni delle
pellicole Gafcromiche EBT3 e primi irraggiamenti di campioni biologici
 Allineamento,test di accelerazione da struttura SCDTL fino a 12 MeV
Il Progetto TOP-IMPLART consentirà lo sviluppo di 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
Layout attuale
LINEA RADIOBIOLOGIA 3-7 MeV
11.6 MeV
SCDTL-1
iniettore