L Istituto Nazionale di Fisica Nucleare: e la Fisica Medica. G. Battistoni INFN Milano

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1 L Istituto Nazionale di Fisica Nucleare: e la Fisica Medica G. Battistoni INFN Milano L ottimizzazione nell impiego delle radiazioni ionizzanti in Medicina: ruolo dello specialista in Fisica Medica 16 novembre 2009

2 L INFN L INFN, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, è l istituto che promuove, coordina ed effettua la ricerca scientifica nel campo della fisica subnucleare, nucleare e astroparticellare e delle loro applicazioni. Opera in stretta connessione con l Università e nell ambito della collaborazione e del confronto internazionale. 20 Sezioni, 4 Laboratori Nazionali, 11 Gruppi collegati Istituito l'8 Agosto 1951 al fine di proseguire e sviluppare la tradizione scientifica iniziata negli anni '30 con le ricerche teoriche e sperimentali di fisica nucleare di Enrico Fermi.

3 Le aree di ricerca dell INFN La ricerca di base Attività sperimentale: - fisica delle particelle con acceleratori (~732 FTE) - fisica delle particelle senza acceleratori, astroparticelle, onde gravitazionali (~700 FTE) - fisica nucleare (520 FTE) Fisica teorica (~900 FTE) Ricerca tecnologica e applicazioni - Rivelatori - Elettronica - Macchine acceleratrici - Attività interdisciplinare laboratori nazionali laboratori internazionali (CERN, Fermilab, GSI,...) Iniziative di interesse diretto per fisica medica

4 Il patrimonio culturare dell INFN Acceleratori di particelle Rivelatori di particelle Elaborazione di modelli Interazione radiazioni-materia Tecnologia informatica Tecnologia dei materiali Meccanica Elettronica Criogenia... Sofware simulazione/number crunching Management di grandi quantita di dati Reti Calcolo parallelo Calcolo distribuito Analisi dati: pattern recognition...

5 Il settore tecnologico/interdisciplinare dell INFN Nel 2009: 608 Ricercatori Full Time Equivalent 584 nel 2007, 504 in media nel periodo 04-06, 384 in media nel periodo Settori Rivelatori, Elettronica e Informatica Acceleratori FTE Finanziamento 2009 (k ) Interdisciplinare Nell area Interdisciplnare sono molte le attività esplictamente di interesse della fisica medica

6 le attività INFN volte all applicazione della Fisica Nucleare e delle Particelle alla Medicina Terapia: Adroterapia e BNCT Macchine acceleratrici Rivelatori e Dosimetria Imaging Comm. Scientifica Nazionale V Sistemi Avanzati di Calcolo e Simulazione Progetto Strategico INFN-MED Per valorizzare le esperienze con un R&D maturo verso il trasferimento tecnologico industriale/clinico

7 INFN e Adroterapia Negli anni 90 l INFN ha supportato TERA per i progetti di R&D. INFN, in collaborazione con l Universita di Catania, ha realizzato presso i suoi Lab. Naz. Del Sud il primo centro di terapia con protoni italiano: CATANA Considerando il know-how dell INFN soprattutto nel settore acceleratori, l INFN partecipa alla realizzazione del CNAO Nel 2005 l INFN è stato incaricato dal Ministro della Salute di produrre un documento sulla prototerapia nel nostro paese. L INFN considera strategico il coinvolgimento nella ricerca sull adroterapia con ioni leggeri ( 12 C)

8 CATANA Centro di AdroTerapia e Applicazioni Nucleari Avanzate INFN-Laboratori Nazionali del Sud Ophthalmologic Institute University of Catania Radiologic Institute University of Catania Eye retention rate 95 % TOTAL SURVIVAL 98 % LOCAL CONTROL 95 % Pazienti trattati: ~200 a partire 2002

9 Il sincrotrone per p e 12C del CNAO Terminati quasi tutti i tasks della Prima Convenzione INFN-CNAO Nuovo accordo quadro: 31 marzo 2009 Proseguiranno tasks relativi a: commissioning della macchina monitoraggio dei fasci Prossime attività: Nuova sorgete per ioni (MISHA) Collaborazione per attività sperimentazione clinica Realizzazione area di ricerca

10 A 300 MeV/n Superconducting Cyclotron for Ion Beam Therapy Progettato in base all estrapolazione dell esistente ciclotrone superconduttore Si sta pensando ad avviare il progetto di un nuovo Ciclotrone a 400 MeV in collaborazione con la IBA Main Parameters Energy C, 6 Li, He Protons Sectors R pole <B o > <B max > Hill gap Valley gap RF frequency Outer Diameter Weight 300 AMeV 260 MeV cm 3.15 T 4.2 T 50 mm 140 cm 97 MHz 4900 mm 350 tons

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12 Le sfide per i piani di trattamento per la terapia con fasci di 12 C Exp. Data (points) from Haettner et al, Rad. Prot. Dos. 2006, Lines: MC simulations (FLUKA) Nuclear Physics: Fragmentation of Projectile primary attenuation lighter fragments with longer range Radiobiology: RBE of primary and fragments Dosimetry: Mixed field complexity Possible damage to healthy tissues outside the target volume

13 Piani di Trattamento in Adroterapia con Ioni INFN e univ. Torino / INFN e univ. Milano / INFN e univ. Roma 3/ INFN Roma 2 /INFN LNF /INFN LNS / INFN e univ. Napoli Attività mista con: Fisica nucleare (studio frammentazione) Radiobiologia Calcolo Monte Carlo

14 Realizzazione del software nell ambiente industriale prescelto (Elekta/CMS) Inserito nell Oncology Information System (OIS) all interno del sistema MOSAIQ-RTP (Eleckta-CMS)

15 Monitoring in adroterapia L alta selettività fisica della terapia con ioni impone una maggior precisione nel monitoring del trattamento applicato. Per questo sarebbe desiderabile avere informazioni in vivo sul range degli ioni, ma il loro completo stopping nel paziente impedisce i metodi usati in radioterapia convenzionale. Possibilita : In-beam PET (DOPET- INFN and University of Pisa) Protoni: 16 O (p,n) 15 O 12 C (p,n) 11 C T ½ 15-O=121.8 s T ½ 11-C = s scarsa correlazione spaziale tra attivita β + e profilo della dose Ioni Carbonio: X ( 12 C, 11 C+n) X X ( 12 C, 10 C+2n) X 16 O ( 12 C, X) 15 O+n 12 C ( 12 C, X) 11 C+n Τ ½ 10-C =19.3 s

16 Prototipo di tomografo PET in-beam Two planar heads, eachwithanactivearea of 45 mm x 45 mm Distance between the heads: 7+7 cm LYSOcrystalmatrix,21x21pixels2.152mmx2.152mm each (Hilger Crystals) Crystal thickness: 18 mm LYSO crystal matrix, 21 x 21 pixels mm x mm each (Hilger Crystals) Crystal thickness: 18 mm 64-anode PMT (Hamamatsu) multiplexed read-out electronics: 64-inputs/4 outputs

17 Sperimentazione su fantocci omogenei e feasibility del range monitoring Longitudinal dose profiles * Vecchio, S. et al, IEEE Conference record 2007, cdrom: m * F. Attanasi et al., Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 591 (2008), Longitudinal activity profiles

18 Rivelatori THE MOPI ONLINE MONITOR x-y ion. strip chambers MOPI p beam ionization chambers

19 INFN DIARAD Project ( ) Università di Roma Tor Vergata INFN Sezione Roma 2 S. Filippo Neri Hospital INFN Sezione Roma 3 Università Torino Development and characterization of synthetic single crystal diamond based dosimeters for radiotherapy applications Electrons, Photons, Protons Ag contact Al contact CVD Intrinsic CVD B-doped HPHT substrate Output No energy dependence (tissue equivalent) Limited dose rate dependence (0.98 < Δ < 1.04) Small dimensions (good spatial resolution) Dosimetri SCD sono stati testati con successo in applicazioni di adroterapia con protoni e ioni carobonio Risoluzione e prestazioni vantaggiose anche in applicazioni Diamond IMRT Dosimeter Single crystal diamond (tissue equivalent) V bias: 0 V (useful for in-vivo applications) Volume: < 0.1 mm 3 (much lower than a pin-point IC/small fields) Sens. ~ 4 nc/gy (about 10 times a pin-point IC)

20 ECORAD prima realizzazione di un sistema di imaging duale composto da sonda Ecografica e test SPECT miniaturizzata a cristallo LaBr 3( Ce) La collaborazione ECORAD mira a sviluppare una camera duale compatta per acquisire contemportaneamente immagini ecografiche e scintigrafiche. Permettera quindi di avere sia informazioni funzionali che morfologiche con lo stesso dispositivo

21 MID dispositivo per la misura della quantità di ferro nel corpo umano sviluppato presso la sezione di Genova e già in operazione presso l Ospedale Galliera (invece della biopsia). AIFM09 G. Battistoni 21

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23 La BNCT oggi. Gli ultimi risultati (report 2008) indicano che é una terapia efficace per: Tumori testa-collo ricorrenti Glioblastoma ricorrente Melanoma maligno della pelle e delle mucose. 4 i centri reattoristici oggi attivi in BNCT, 4 di prossima apertura 10 i progetti di sviluppo di acceleratori per BNCT, di cui 2 privati, Attuali elementi di debolezza: Scarsa flessibilità operativa dei reattori oggi utilizzati Grande incertezza nelle misure e nei protocolli dosimetrici Caricamento non ancora ottimale di 10 B nelle cellule tumorali

24 Boron Neutron Capture Therapy al reattore di Pavia Dipartimento di Fisica Nucleare e Teorica Univ. di Pavia and INFN, Italy The irradiaton facility 250 KW TRIGA MARK II OF PAVIA UNIVERSITY WIDEST - ELBA Policlinico S. Matteo Pavia Liver metastases treatment by autotransplantation method with organ irradiation in a neutron field (ELBA) Studies to apply BNCT treatment to diffuse lung tumours using external epithermal neutron beams without explantation (WIDEST) Preliminary studies to apply BNCT treatment to osteosarcoma of the extremities

25 IL progetto SPES-BNCT RFQ main specifications beam particle: proton beam energy: 5 MeV beam current: 30 ma beam power: 150 kw Duty cycle: 100% 150 kw neutron converter Per il trattamento del melanoma maligno cutaneo

26 Iniziativa per fare il punto WORKSHOP INFN sulle Sorgenti di neutroni e sulle loro possibili applicazioni Laboratori Nazionali di Legnaro dell INFN Novembre 2009

27 Imaging Collaborazione MAGIC-5: INFN e Univ. Genova, Torino, Pisa, Napoli, Lecce, Bari, Univ. Sassari e INFN-Cagliari Analisi di Immagini Medicali Mammografie per la diagnosi precoce di cancro al seno (1998 -) CT Polmonare per la diagnosi precoce di cancro al polmone (2004 -) Computing distribuito MRI Cerebrale per la diagnosi precoce del morbo di Alzheimer (2006 -)

28 Fasci di elettroni + laser E X = kev LNF Thomson back-scattering X-ray source Quasi-monochromatic beam BeaTS Photoinjector solenoid RF sections quadrupoles dipoles RF deflector collimator 25º 25º 1.5m 11º 10.0 m 5.4 m 14.5 m Diagnostic 1-6 Undulator modules

29 Sviluppi per la mammografia Possibilità di ottimizzare l energia per la mammografia Risoluzione spaziale richiesta ~100 μm Flussi elevati ~10 7 γ/(mm 2 s). Anode Material Molybdenum 65 cm Anode Angle 12 Anodic Voltage 28 kv Filtrations 1 mm Be 0.03 mm Mo 600 mm Air

30 Radiobiologia Lab. Nazionali di Legnaro Lab. Nazionali del Sud ROMA-3 e Univ. Roma 3 INFN e Univ. Federico II, Napoli ISS (gruppo collegato con Roma 1) INFN e Univ. Milan Pavia

31 Sistemi Avanzati di Calcolo Piani di trattamento innovativi Applicazione Monte Carlo FLUKA GEANT4 Fisica agli acceleratori Raggi cosmici Fisica del nucleo Shielding Dosimetria Radioprotezione Fisica medica: radioterapia, imaging medicale, ottimizzazione, treatment planning, Uso del calcolo distribuito

32 L INFN e la possibilita di offrire collaborazione per ricerca al fisico medico ospedaliero Esempio: collaborazione per simulazioni numeriche avanzata TARGET Varian DHX; 6 and 15 MeV for Medical Linear accelerator head simulation FLATTENER ION CHAMBERS JAWS INFN Milano con R. Moretti e P. Colleoni, Osp. Riuniti di Bergamo