Ciclotrone e applicazioni in Medicina. Roberto Bello*

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1 Ciclotrone e applicazioni in Medicina Roberto Bello*

2 Ciclotrone 2

3 Il ciclotrone è un acceleratore circolare di par8celle ele9ricamente cariche. La costruzione fu ispirata da una pubblicazione dell ingegnere norvegese Rolf Wideroe. Ernest Lawrence con il suo assisitente M. Livingston lo costruirono nel 1929 a Berkley (Università della California). Al primo acceleratore ci si riferiva come alla giostra di protoni (proton merry- go- round). 3

4 Il ciclotrone è cos8tuito da 2 semicilindri, che vis8 in sezione hanno una forma a D, immersi in un campo magne8co costante B, con applicata una differenza di potenziale V. Il principio di funzionamento del ciclotrone si basa sulla forza di Lorentz, che fa ruotare la par8cella su di un orbita circolare, mentre la differenza di potenziale, variabile nel tempo, accelera la par8cella stessa tra i due semicilindri che lo cos8tuiscono. 4

5 La par8cella di carica ele9rica q si muove su di un orbita circolare di raggio r con velocità v: F = ma - > qvb = mv 2 /r La pulsazione ω e la frequenza f, sono: ω = v/r = qvb f = v /2π r = qb / 2π m Ad ogni semigiro r e v aumentano in modo tale da avere f = costante. 5

6 Il ciclotrone funziona ad energie non rela8vis8che, ovvero quando l energia cine8ca << dell energia a riposo della par8cella da accelerare: E cin 1% E rip Protoni: E rip = 938 MeV E max 10 MeV Deutoni: E rip = 1877 MeV E max 20 MeV Par8celle α: E rip = 3733 MeV E max 40 MeV Per il regime rela8vis8co si devono sviluppare acceleratori diversi (i sincrociclotroni). 6

7 APPLICAZIONI: Adroterapia Radiofarmaci 7

8 Adroterapia 8

9 I centri in Asia e America 9

10 I centri in Europa 10

11 CNAO (Pavia) 11

12 Interazioni dei protoni con la materia biologica Intervallo terapeutico di energia tipico della protonterapia [3, 300] Mev: il protone è assunto come particella elementare. Processi fisici principali: Collisioni con gli elettroni atomici (Stopping): i protoni cedono energia agli elettroni causando eccitazione e ionizzazione degli atomi, la gran parte dell energia è rilasciata in corrispondenza degli ultimi cm di percorso (picco di Bragg). Il tasso di perdita di energia media de/dx (MeV/cm), o Stopping Power, è descritto dalla formula di Bethe- Bloch. Reazioni nucleari: produzione di particelle secondarie come protoni, neutroni, raggi γ (eccitazione dei nuclei del mezzo), particelle α (frammenti più pesanti di queste sono molto rari) e nuclei residui, isotopi radioattivi (attivazione dei tessuti), es. 15 O 11 C (β + - emettitori), con emivita breve. Scattering multiplo Coulmbiano: diffusione elastiche con i nuclei atomici allargamento della sezione laterale del fascio ( penombra laterale ). 12

13 La curva dose- profondità di una particella dipende dal tipo di interazioni con la materia. Picco di Bragg Frammentazione degli ioni di carbonio (sovradosaggio) Picco di Bragg allargato (SOBP) : per irradiare il bersaglio in profondità la posizione del picco viene variata modificando l energia del fascio (modulazione attiva o passiva) 13

14 Scopi della radioterapia con adroni: 1. Fornire una elevata dose di radiazione conforme al bersaglio tumorale; 2. evitare i tessua sani circostana e gli organi a rischio. Dose fisica assorbita Dose = de dm [Gy = J/kg] Distribuzione ideale di dose: 100% al target tumorale 0% tessuti sani circostanti Fluenza dei protoni Φ = dn da [Protoni/cm 2 ] Range: distanza percorsa dal punto di ingresso fino alla posizione il corrispondenza della quale la dose rilasciata nella fase discendente del del picco di Bragg è pari all 80% del valore massimo. 14

15 Pencil Beam Scanning - PBS La lesione viene suddivisa, idealmente, in voxel. Ogni voxel viene irraggiato con un fascio di protoni in modo tale da ottenere, a fine trattamento, una distribuzione di dose uniforme nel target e non sovradosare gli Organi A Rischio (OAR). Nel piano ortogonale alla direzione di propagazione, il fascio viene orientato con l ausilio di magneti deflettori. La profondità a cui si forma il picco di Bragg è determinata dall energia utilizzata. Il numero di protoni per ciascun fascio, l energia di ciascun fascio e il suo posizionamento vengono determinati da software chiamati Treatment Planning System (TPS). 15

16 Gantry a isocentro fisso Gantry: Struttura posta alla fine della linea del fascio in grado di deflettere i protoni e orientare la radiazione lungo qualsiasi direzione 1. Il sistema di riferimento nel quale vengono localizzati i fasci viene chiamato campo. 2. L isocentro è un punto fisso attorno al quale ruota il Gantry (di norma localizzato all interno della lesione). 3. La retta passante per il centro del campo e perpendicolare ad esso punta sempre all isocentro. 16

17 Il software di simulazione Dati forniti da Hyperion: 1. Energia dei singoli fasci 2. Numero di protoni per fascio 3. Posizionamento dei fasci all interno del campo Geant4 4. Tipo di radiazione da utilizzare per il trattamento, 5. Angolazione del Gantry per l irraggiamento, 6. Forma della sezione trasversa dei singoli fasci. 17

18 Immagine TC: confronto tra la distribuzione di dose calcolata per il tragamento della stessa lesione con Intensity Modulated Radia0on Therapy (IMRT) e protonterapia. Vantaggi fisici dei protoni: bassa dose rilasciata nel canale di ingresso e nella regione distale; minore allargamento laterale del fascio (scattering laterale) il fascio può essere guidato in qualsiasi direzione; elevata densità di ionizzazione. Vantaggi clinici dei protoni: bassa dose integrale, bassa tossicità e riduzione di effetti collaterali (tra cui tumori secondari radio- indotti) ideale per l oncologia pediatrica; elevata conformazione al target. Possibilità di curare tumori profondi e radio- resistenti Svantaggio: Tecnologie costose (100 milioni per la sola messa in opera di facility per protonterapia) 18

19 Radiofarmaci 19

20 Ciclotrone Siemens (CTI RDS112) 20

21 Interno del ciclotrone Siemens (CTI RDS112) 21

22 Il ciclotrone viene u8lizzato per accelerare par8celle cariche fino ad alte energie, con lo scopo di produrre radionuclidi tramite una reazione nucleare. I moderni ciclotroni per impiego biomedico sono apparecchiature o*mizzate per la produzione dei principali radionuclidi che si u8lizzano per sinte8zzare i radiofarmaci per l impiego clinico e per la diagnos8ca. 22

23 Le immagini medico- nucleari vengono o9enute tramite la rilevazione di fotoni (radiazione e.m.) emessi dai radiofarmaci metabolizza8 dall organismo e accumula8 nei pun8 di interesse. E quindi il paziente che eme9e raggi gamma. L emissione viene registrata da apposite apparecchiature: Tomografi SPECT e PET, da cui si ricostruisce l immagine. 23

24 Un radiofarmaco è un qualsiasi medicinale che include uno o più radionuclidi (isotopi radioa*vi) incorpora8 a scopo sanitario. Viene somministrato in piccole quan8tà, in termini di massa, ma sufficien8 ad essere rileva8 dall'esterno con apposi8 rivelatori gamma. La distribuzione del radiofarmaco dipende dalla sua stessa stru9ura chimica e non dalle cara9eris8che fisiche del radioisotopo impiegato per la sua preparazione. Viene rilevata la distribuzione nell'organismo del radiofarmaco, per cui si può anche studiare l'a*vità metabolica di un certo distre9o corporeo. 24

25 Le cara9eris8che o*mali di un radiofarmaco per uso diagnos8co sono le seguen8: - Disponibilità costante - Facile sintesi - Breve emivita - Emissione γ - Localizzazione esclusiva nell'organo in esame - Bassa dosimetria 25

26 Vengono u8lizzate le radiazioni gamma poiché le radiazioni corpuscolari sono poco penetran8 e ad alto LET (linear energy transfer) non perme9ono di o9enere immagini, producendo ionizzazioni ed effe* dannosi sulle molecole degli organismi dire9amente e indire9amente a9raverso la produzione di radicali liberi. 26

27 Tipo di Emissione Gamma puro: (Par8celle Alfa e Beta non perme9ono di o9enere immagini e danno dosi di radiazioni elevate) Energia gamma Ideale: kev e.g. 99m Tc, 123 I, 111 In Subo*male: <100 kev e.g. 201 Tl >250 kev e.g. 67 Ga & 131 I Elevata abbondanza di fotoni 27

28 I radiofarmaci hanno: - Funzione diagnos8ca - Funzione terapeu8ca - Meccanismo di localizzazione - Energia fisica liberata significa8va se terapeu8ci I radiofarmaci non hanno: - Effe9o farmacologico - Meccanismo d azione - Azione terapeu8ca radiante se diagnos8ci 28

29 La maggior parte dei kit di radiofarmaci sono prepara8 usando il 99m Tc. Il tecnezio è l'elemento chimico di numero atomico 43. Il suo simbolo è Tc. È un elemento grigio argenteo, radioa*vo, metallo di transizione del periodo 4, cristallino molto raro in natura. Il tecnezio è uno dei prodo* di fissione nucleare naturale ed ar8ficiale dell'uranio e si usa in medicina nucleare per o9enere immagini scin8grafiche e tomografiche di numerosi compar8men8 corporei ( 99m Tc). L emivita del 99m Tc è pari a 6,01 ore. 29

30 Il 99m Tc si lega ad una molecola nel kit, chiamata ligando, studiata per localizzarsi in uno specifico organo/sistema. La maggior parte del 99m Tc deve legarsi al ligando e pertanto pochissimo 99m Tc libero deve essere presente nel prodo9o finale. Il 99m Tc idrolizzato, altro prodo9o secondario del processo di marcatura, deve essere presente anch esso in minima concentrazione. 30

31 L uso dei radiofarmaci avviene, ad esempio, nella: - Scin8grafia - PET: Tomografia ad emissione di positroni - SPECT: Tomografia ad emissione di fotone singolo 31