Acceleratori per terapia oncologica

Concetta Ronsivalle – UTAPRAD-SOR ENEA Frascati

Workshop – “Oncogenesi: tra scienza e clinica medica”ENEA-Frascati,Aula Brunelli 10-11 giugno 2010

Attività nel CR ENEA-Frascati

Sommario

• Acceleratori lineari di elettroni per RadioTerapia Intraoperatoria (IORT)

• Acceleratori lineari di protoni per protonterapia

• Conclusioni

Acceleratori lineari di elettroni

• Anni ’80-’90: azione di trasferimento del know-how 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)

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

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

Testa radiante

La testa radiante (cannone elettronico+acceleratore lineare) è montata su di un sistema robotizzato che ne assicura la completa mobilità

Cono di collimazionein plexiglas

Guida d’onda flessibile

Alimentatore a radiofrequenza

40 mm 60 mm 80 mm 100 mm

0 °0 ° 22.5 °22.5 ° 45 °45 °

Ogni diametro ha tre angoli di taglioOgni diametro ha tre angoli di taglio

SSD = 80 cmSSD = 80 cm SSD = 80 cmSSD = 80 cmSSD = 80 cmSSD = 80 cm

La struttura accelerante del NOVAC7

550 mm

• 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

• Autofocheggiamento

• Bassa radiazione di fondo

Calcolo delle perdite nel NOVAC7

0

10

20

30

40

50

60

anodo cav1 cav2 cav3 cav4 cav5 cav6 cav7 cav8 cav9 cav10 cav11

perd

ite d

i cor

rent

e (%

)

Le perdite di fascio si hanno prevalentemente nella prima cavità a bassa energia

<E>=127 KeV

<E>=407 KeV

<E>=18 KeV

<E>=50 KeV

Scudo assorbitore della radiazione diffusa dal paziente

Computed spot size at linac output

4mm

NOVAC7: caratteristiche dosimetriche- Riproducibilità dell’output a lungo termine- Riproducibilità dell’output a breve termine- Uniformità del campo- Simmetria del campo- Riproducibilità del sistema dosimetrico a breve termine- Linearità del sistema dosimetrico- Coda di Brehmsstrahlung 

2% 1% 5% 2%

1% 1% 0.2%

0

20

40

60

80

100

120

0 10 20 30 40 50 60 70

Depth in water phantom(mm)

Rel

ativ

e D

ose

(%

)

E0=3.7 MeV, Ep0=4.48 MeV

E0=5.0 MeV, Ep0=5.32 MeV

E0=6.0 MeV, Ep0=6.48 MeV

E0=7.0 MeV, Ep0=7.79 MeV

Uniformità trasversa della dose

0

20

40

60

80

100

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50

mm

%

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

IORT-1 Macchina commerciale LIAC

• 4 M€ da MIUR-UE• Coordinamento

ENEA• Partners: IFO Consorzio CETMA, Università di Bologna• 2 brevetti

Ottimizzazione numerica della geometria del cannone: equipotenziali e traiettorie elettroniche

Dal 2007: collaborazione con la NRT, attuale possessore del marchio NOVAC

Sviluppo cannone elettronico per linac-IORT

Tra i temi di collaborazione:Tipo di catodo Dispenser

Raggio del catodo 0.4 mm

Massima tensione anodica 13 KV

Corrente 3 mA

Distanza catodo-anodo 14 mm

Perveanza 0.002 Perv

Diametro del fascio iningresso al linac 0.25 mm

Filamento

Tensione di riscaldamento 5 7 V

Potenza massima 3 W

Corrente 350 mA

Recenti sviluppi per acceleratori compatti

Sviluppo di linacs in banda C (F=5712 MHz) in collaborazione con la società ADAM di Ginevra

Applicazione: LINAC IORT da 12 MeV

Cavità in Banda S

Cavità in Banda C

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

SCDTL a 3GHz per protoni

di bassa energia (Brevetto ENEA)

• 1996: Proposta di un acceleratore lineare

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)

RF input

Cavitàaccoppiante

Tank accelerante

PMQ

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

SOLO IMPT IMRT-IMPT

7 campi con IMRT

2 campi con IMPT

Confronto tra IMRT eIMPT

Mutuando le tecniche radioterapiche più avanzate con fasci di fotoni,si possono ottenere con i protoni concentrazioni di dose ancora più conformi.

IL PROGETTO TOP- IMPLART

FASE 1

FASE 2

• Obiettivo finale: realizzazione di un centro per protonterapia basato su un acceleratore lineare da 230 MeV

• Istituti coinvolti: ENEA (unità tecniche: APRAD, BIORAD), ISS,IFO

• Industrie coinvolte: NRT,CECOM,ADAM

• Finanziamenti: finanziata (11 M€ tramite convenzione ENEA-Regione Lazio) fase 1 fino a 150 MeV

LINAC2LINAC1INIETTORE

SCDTL CCL1 CCL2

7 MeV 40 MeV 150 MeV 230 MeV

Energia

Parametri di progetto relativi alla fase 1Valore Unità di misura

Profondità max in tessuto 15 g/cm2

Energia dei protoni (max) 150 MeV

Variabilità a step 65 -150 MeV

Variabilità dinamica 90 -150 MeV

Dose 1-10 Gy/min

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.

L’acceleratore IMPLART-150

Iniettore PL7 (ACCSYS) 425 MHz, 7 MeVinstallato a Frascati

Prototipo modulo SCDTL 7-12 MeV

Parametri di macchina e utilizzo

Parametri Valore

Energie del fascio, Fase 1Energie del fascio, Fase 2

65 / 92-150 MeV65 / 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 fascio

3Hx2V/7Hx7V mm

Emittanza normalizzata RMS 0.2 mm-mrad

Composizione di 392 impulsi ciascuno da spot 7x7 per 8 slices

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