ISTITUTO LOMBARDO
ACCADEMIA DI SCIENZE E LETTERE
LA FISICA IN MEDICINA
GLI ACCELERATORI NUCLEARI
NELLA TERAPIA DEI TUMORI
Domenico Scannicchio
Dipartimento di Fisica - Ordinario di Fisica Medica
Corso di Laurea in Medicina e Chirurgia
Università di Pavia
Milano, 20 febbraio 2013
D. SCANNICCHIO 2013
01/42
RADIAZIONI
RADIAZIONI:
- elettromagnetiche
- corpuscolari (particelle)
D. SCANNICCHIO 2013
2012
02/42
SPETTRO ELETTROMAGNETICO
(fermi)
 (m)
10–12
–14
10
RAGGI
RAGGI
GAMMA
GAMMA
X

(Hz)
GeV
10–10
RAGGI
RAGGI X
1022
1020
MeV
109
106
= c
(m)
(Å) (nm)
–8
10
U.V.
10–6
ULTRA-VIOLETTO
1018
keV
1016
10–4
–2
10
2
1
10
MICRO
MICRO
ONDE
INFRAI. R.
-ROSSO
1010
108

106
3 108 Hz
E
 (m)
ONDE
ONDE
RADIO
RADIO
ONDE
1014
1012
VISIBILE
VISIBILE
(Hz)
103
E = h
400
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(mm) (cm)
500
600
700
 (nm)
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PRODUZIONE DI
RAGGI X E GAMMA
raggi X
raggi X
produzione
produzione artificiale
artificiale
tubi
XX
tuboaaraggi
raggi
raggi
raggi gamma

produzione naturale
produzione
naturale
emissione
raggidecadimento
emissionedida
nuclei instabili
 da nuclei radioattivi
(radionuclidi)
(radionuclidi)
produzione artificiale
produzione artificiale
acceleratori di
acceleratori
di particelle
particelle
reattori nucleari
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MATERIA
STRUTTURA DELLA
~ 1920
electroni
elettrone
MATERIA
neutroni
neutronenucleo
nucleo
~ 1940
nucleo
nucleo
protone
atomi
protone
atomo
quarks
u
d
adroni
adroni
D. SCANNICCHIO 2013
d
neutroni
neutrone
quarks
u
u
d
~ 1970
protoni
protone
• singoli fasci per adroterapia ~ 1985
• centri medici di adroterapia ~ 1990
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PARTICELLE
• nuclei
ions
• electrons
• muons (from cosmic rays)
• hadrons : - protons
- neutrons
- mesons
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PRODUZIONE DI
PARTICELLE
particelle cariche
produzione naturale
produzione artificiale
radiazione cosmica
acceleratori
di particelle
emissione da nuclei radioattivi (radionuclidi)
produzione
produzioneartificiale
artificiale
acceleratorididiparticelle
particelle
acceleratori
neutroni
produzione artificiale
produzione artificiale
reattori nucleari
acceleratori di particelle
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07/42
> 1990
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08/42
ASSORBIMENTO della RADIAZIONE
nella MATERIA
assorbimento:
• interazione con strutture atomiche e molecolari
• rilascio di energia con rottura di legami
• produzione di cariche elettriche in moto (ioni)
ionizzazione
• Linear Energy Transfer (LET)
• perdita progressiva di energia fino all’arresto (range R)
• LET dipende da E, d, Zmateria
• radiazioni a modesto LET (X, gamma, elettroni)
• radiazioni a grande LET (protoni, ioni nucleari)
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ASSORBIMENTO della RADIAZIONE
nella MATERIA
• unità di energia:
◊ SISTEMA INTERNAZIONALE :
joule (J)
◊ UNITA’ PRATICA SU SCALA ATOMICA :
elettronVolt (eV) = 1.6 10–19 joule
• MeV (mega-elettronVolt) = 106 eV
• GeV (giga-elettronVolt) = 109 eV
• TeV (tera-elettronVolt) = 1012 eV
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ASSORBIMENTO della RADIAZIONE
nella MATERIA
• DOSE ASSORBITA:
energia assorbita
D =
massa
◊ SISTEMA INTERNAZIONALE :
gray (Gy) = 1 joule/1 kg
•
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gray (Gy) = 100 rad
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ASSORBIMENTO della RADIAZIONE
CORPUSCOLARE
range R
T
R(E)
scala
scala
logaritmica
logaritmica
(cm) 100
H2O
H2O
mesoni
mesoni 
alfa
alfa
10
1
0.1
0.01
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2012
protoni
protoni
elettroni
elettroni
e

p
0.1 1
10 100
scala logaritmica
scala logaritmica
1000
(MeV)
T
E
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ASSORBIMENTO della RADIAZIONE
CORPUSCOLARE
• raggi X
• elettroni
RADIOTERAPIA
CONVENZIONALE
• protoni
• ioni carbonio (12C)
• altri ioni (4He, 14N, 16O)
• neutroni
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ADROTERAPIA
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14/42
dose
protoni 200 MeV
(profondità
protoni 200fissata)
MeV
(profondità fissa)
4
unità
unità
relative
dose pelle = 1
picco di
picco
di Bragg
Bragg
3
raggi X 22 MeV
raggi  22 MeV
2
1
raggi
raggi
60Co

22
MeV
da
60
200
keV
elettroni
da Co
elettroni raggi
22 MeV raggi X
200 keV
0
20
10
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protoni a diverse energie
protoni
per
coprire profondità
(profondità x )
profondità di tessuto
profondità
di tessuto
x
cm
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ASSORBIMENTO
IONIdi
LEGGERI
ASSORBIMENTO
IONI
sperimentali
datidati
sperimentali
ionizzazione
10
relativa
ionizzazione
relativa
12
135 MeV/n
C
8
270 MeV/n
6
330 MeV/n
4
2
2
Shiver et al. D. SCANNICCHIO 2013
4
8
12
16
20
24
cmH2 0
GSI
7
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2° ADVANTAGE
: COLLIMATION
COLLIMAZIONE
protons
depth
particle
4 cm
distribution
8 cm
1.5
beam diameter 1 cm
13 cm
1.0
0.5
electrons depth 10 cm
H2O
–3
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Ep = 150 MeV
Rp = 15.5 cm
15 cm
–2
–1
0
9
+1
+2
Ee = 20 MeV
Re = 12 cm
+3
cm
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DIFFERENT
BEAM OUTLINE
COLLIMAZIONE
C ion
depth
d = 4 cm
particle
distribution
1.5
d = 15 cm
beam diameter 1 cm
X rayX at d 15 cm
raggi
1.0
EX = 18 MeV
H2O
protons at 15 cm Ep = 150 MeV
0.5
Rp = 15.5 cm
–3
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EC = 258 MeV/u
RC = 15.5 cm
–2
–1
0
+1
10
+2
+3
cm
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 1.3 MeV
da
da
cm
0
60
Co
frenamento
 da
da
frenamento
di elettroni
da
MeV
di25
elettroni
da 25 MeV
protoni
protoni
200 MeV
200 MeV
cm
0
10
10
20
cm
20
cm
D. SCANNICCHIO 2013
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ASSORBIMENTO della RADIAZIONE
nella MATERIA BIOLOGICA
• DOSE BIOLOGICA ASSORBITA:
Dbiologica = RBE x Dfisica
◊ SISTEMA INTERNAZIONALE :
sievert (Sv) = RBE x 1 Gy
•
sievert (Sv) = 100 rem = 100 RBE x rad
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LET
(keV/ m)
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23/42
24
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24/42
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25/42
D. SCANNICCHIO 2013
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PIANO di TRATTAMENTO
• tipo di cellule neoplastiche
• posizione del tumore
• conformazione del tumore
• prossimità organi vitali
• definizione direzioni di irraggiamento
(campi)
• parametri del fascio (dimensioni, energie)
• numero sessioni e dosi
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Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica
• studio del progetto iniziato 1992 (CERN e INFN)
• acceleratore protoni e ioni carbonio (sincrotrone)
• sistema magnetico tradizionale
• 3 sale di trattamento
• fasci orizzontali e verticale (una sala)
• sala dedicata ad attività di ricerca
• accurata progettazione edilizia
• progettazione sistemi di misura della dose
• progettazione sistemi di sicurezza
• sperimentazione su animali
• sistemi diagnostici integrati (TC, RM, PET)
• costruzione iniziata nel 2004, terminata nel 2008
• installazione e test alta tecnologia 2008-2011
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31/42
15.12.2005
30.07.2006
30.07.2006
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CNAO
33
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33/42
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SALA di TRATTAMENTO
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SALA di TRATTAMENTO
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TECNICHE di POSIZIONAMENTO
• sistema di immobilizzazione personalizzato
• piano di carbonio con markers di riferimento
• markers distribuiti sull’area irraggiata
• posizionamento sul piano di carbonio
nel locale CAP (Computer Aided Positioning)
• trasporto nella posizione di trattamento
• aggancio sul lettino robotizzato
• mobilizzazione del lettino secondo il
piano di trattamento
• controlli accurati posizionamento (RX e IR)
• esecuzione trattamento: circa 100-200 secondi/campo
• controllo continuo della posizione (100 Hz)
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TECNICHE di POSIZIONAMENTO
• markers distribuiti sull’area irraggiata
• mobilizzazione del lettino secondo il
piano di trattamento
• controlli accurati posizionamento (RX e IR)
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TECNICA di IRRAGGIAMENTO
• scanning beam
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TERAPIE in CORSO
sperimentazione
- iniziata settembre 2011
(solo protoni 1 sala di trattamento)
- ottobre 2012 (terapie anche con ioni carbonio)
- attualmente 67 pazienti
(di cui 14 in corso di terapia)
- 7 pazienti anche ioni carbonio
- 15-20 sessioni per paziente
- marzo 2013: 2a sala di trattamento attiva
- inverno 2013: 3a sala di trattamento attiva
- entro 2014 termine sperimentazione
(250 pazienti - circa 12 protocolli)
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SVILUPPI FUTURI
diagnostica avanzata
FUSIONE IMMAGINI 3D, PET ON-LINE
sviluppo tecnologie avanzate
TESTATA ISOCENTRICA,
TRATTAMENTO TUMORI IN MOTO CASUALE
studi clinici
informatizzazione diffusa e avanzata
IMPIEGO DELLA RETE DI CALCOLO “GRID”
sviluppo piani di trattammento e analisi
automatica delle immagini
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