Mauro Carrara S.C. Fisica Medica Fondazione IRCCS Istituto Nazionale Tumori - Milano

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1 Mauro Carrara S.C. Fisica Medica Fondazione IRCCS Istituto Nazionale Tumori - Milano

2 CONTENUTI 1. Introduzione 2. Impianti e sorgenti 3. BRT ad alto rateo di dose (HDR) 4. BRT HDR ginecologica 5. BRT HDR della prostata 6. Cenni ad altre applicazioni di BRT HDR 7. Il calcolo della dose 8. La pianificazione di un trattamento

4 Introduzione: radioterapia a fasci esterni vs. brachiterapia Il termine BRACHITHERAPIA (BRT) deriva dalla parola greca brachios che significa breve e consiste nel trattamento radioterapico a breve distanza di un volume bersaglio mediante sorgenti radioattive sigillate.

5 Introduzione: radioterapia a fasci esterni vs. brachiterapia Radioterapia a fasci esterni BRT SORGENTE Le sorgenti vengono posizionate all interno o in prossimità dei tessuti da irradiare. SORGENTE

6 Introduzione: radioterapia a fasci esterni vs. brachiterapia Vantaggi della BRT rispetto ai fasci esterni: dose al volume bersaglio molto localizzata rapida caduta della dose all esterno del volume bersaglio terapia altamente conformazionale Svantaggi della brachiterapia rispetto ai fasci esterni: appropriata solo per tumori ben localizzati e di dimensioni contenute tecnica molto laboriosa

7 Introduzione: la storia STUDIA IL PASSATO SE VUOI PREVEDERE IL FUTURO Confucio

8 Introduzione: la storia 1896: Henri Becquerel discovered natural radioactivity when he found that Uranium produced a black spot on photographic plates that had not been exposed to sunlight.

9 Introduzione: la storia 1898: Marie and Pierre Curie working in Becquerel's laboratory extracted Polonium from a ton of Uranium ore and later in the same year, extracted Radium.

10 Introduzione: la storia 1901: Pierre Curie suggested to Danlos at St. Louis Hospital in Paris that a small radium tube could be inserted into a tumor thus heralding the birth of brachytherapy

11 Introduzione: la storia 1903: Alexander Graham Bell made a similar suggestion, completely independently, in a letter to the Editor of Archives Roentgen Ray. It was found in these early experiences that inserting radioactive materials into tumors revealed that radiation caused cancers to shrink. Dear Editor, I understand from you that Roentgen Rays and rays emitted by Radium, have been found to have a marked effect upon external cancers [ ] There is no reason why a tiny fragment of radiation sealed in a fine glass tube should not be inserted into the very heart of the cancer, thus acting directory upon the diseased material. Would it not be worth while making experiments along this line? [...]

12 Introduzione: la storia 1904: after corresponding with Marie and Pierre Curie about their research on radiation, Dr. Robert Abbe visited their laboratories in Paris and brought samples of radium back to the United States 1905: Dr. Robert Abbe, the chief surgeon at St. Lukes Hospital of New York, placed tubes into tumor beds after resection, and later inserted removable Radium sources thus introducing the afterloading technique.

13 Introduzione: la storia Terapia con placche di radio

14 Introduzione: la storia Terapia con placche di radio

15 Introduzione: la storia Tutti i benefici del Radio

16 Introduzione: la storia dal 1918: vengono create diverse scuole di brachiterapia dove vengo poste progressivamente le basi di questa tecnica radioterapica. trattamento della mammella (anni 20)

17 Introduzione: la storia 1934: Irene Curie e Frèdèric Joliot riuscirono a effettuare la transmutazione di alcuni elementi in isotopi radioattivi sintetici. Questa originale scoperta sarà successivamente destinata a spianare la strada allo sviluppo della sintesi di radioisotopi, che permetteranno di aprire una nuova era nel campo della brachiterapia.

18 Introduzione: la storia 1958: viene adottato per la prima volta l Iridio dal 1965: sviluppo di sistemi per il caricamento delle sorgenti in remoto

20 Impianti e sorgenti BRT endocavitaria Caratterizzazione degli impianti le sorgenti sono inserite, direttamente o entro opportuni cateteri, in cavità naturali del corpo.

21 Impianti e sorgenti BRT interstiziale Caratterizzazione degli impianti le sorgenti sono inserite, direttamente o entro opportuni cateteri, nel tessuto da irradiare

22 Impianti e sorgenti BRT endoluminale Caratterizzazione degli impianti le sorgenti sono inserite, entro opportuni cateteri, in canali luminali del corpo.

23 Impianti e sorgenti Caratterizzazione degli impianti impianti temporanei la dose è erogata entro un intervallo di tempo limitato rispetto al tempo di dimezzamento della sorgente le sorgenti sono rimosse quando è raggiunta la dose di prescrizione impianti permanenti la dose è erogata nell arco di tempo di vita della sorgente le sorgenti non vengono rimosse

24 Impianti e sorgenti Caricamento manuale caricamento delle sorgenti le sorgenti vengono posizionate manualmente. Esistono due possibilità di caricamento manuale: - caricamento manuale diretto le sorgenti vengono messe direttamente senza fase preparatoria. - Afterloading manuale generalmente, le sorgenti sono caricate manualmente in cateteri o applicatori precedentemente posizionati in prossimità del volume bersaglio. Al termine del trattamento, le sorgenti vengono rimosse manualmente fili di Iridio (LDR) Il caricamento e lo scaricamento manuale delle sorgenti espone gli operatori alla radiazione

25 Impianti e sorgenti caricamento delle sorgenti Afterloading remoto le sorgenti vengono poste da apparecchiature programmabili in cateteri preposizionati. Non è più necessario alcun intervento diretto sulle sorgenti a meno di emergenze. Esistono due tipi fondamentali di apparecchiature per afterloading remoto: - apparecchiature a sorgenti fisse usano un certo numero di sorgenti, tutte uguali, che vengono posizionate in posizioni programmate entro gli applicatori e lì mantenute per tutto il tempo necessario. - apparecchiature a sorgente mobile adottano una sola sorgente che viene fatta muovere negli applicatori e tenuta in ogni posizione programmata per il tempo necessario (tecnica detta stepping source) LDR HDR

26 Impianti e sorgenti t Caratterizzazione degli impianti: caricamento apparecchiature a sorgenti fisse: Tutte le sorgenti escono fuori contemporaneamente per il medesimo tempo t t t t t apparecchiature con una sorgente mobile: La sorgente staziona in punti diversi per tempi eventualmente diversi t 1 t 2 t 3 t 4 t 5

27 Impianti e sorgenti caricamento delle sorgenti Apparecchiature a sorgenti fisse - molte sorgenti uguali Apparecchiature a sorgente mobile - un unica sorgente - è sufficiente bassa attività - necessaria attività superiore - tempo di stazionamento uguale per tutte le sorgenti di un catetere - tempo di stazionamento modificabile da posizione a posizione - posizionamento pneumatico (aria compressa, liquido o altro) LDR - posizionamento meccanico (cavo o altro) HDR

28 Impianti e sorgenti Caratterizzazione delle sorgenti: rateo di dose Low dose rate (LDR) Gy/h Medium dose rate (MDR) 2 12 Gy/h High dose rate (HDR) > 12 Gy/h Pulsed dose rate (PDR) Gy/h

29 Impianti e sorgenti geometria delle sorgenti - sorgenti puntiformi (sferiche e di dimensioni trascurabili, a emissione isotropa) - semi (a simmetria cilindrica, hanno dimensioni effettive < 0.5cm) - pellets (di piccole dimensioni, a simmetria generalmente cilindrica ed emissione non isotropa) - sorgenti lineari (di diametro geometricamente trascurabile) - sorgenti planari

30 Impianti e sorgenti geometria delle sorgenti AL: lunghezza attiva PL: lunghezza fisica EL: lunghezza attiva equivalente s: distanza tra i centri delle sorgenti

31 Impianti e sorgenti Caratterizzazione delle sorgenti: forma

32 Impianti e sorgenti Caratterizzazione delle sorgenti: radiazione emessa Fotoni Emissione di raggi γ a seguito di decadimenti γ ed eventualmente raggi X caratteristici 60 Co, 137 Cs, 192 Ir, 125 I, 103 Pd Elettroni Emissione di elettroni a seguito di decadimenti β 90 Sr, 90 Y Neutroni Emissione di neutroni a seguito di fissione nucleari spontanee 252 Cf

33 Impianti e sorgenti Caratteristiche delle sorgenti usate più comunemente

34 Impianti e sorgenti SCHEMA GENERICO TRATTAMENTI BRACHITERAPIA Rateo di dose: LDR MDR HDR PDR BRT Frazionamento: frazione singola più frazioni Impianto: permanente temporaneo

35 Impianti e sorgenti: LDR vs. HDR Edizione anno : DOSE RATES OF THE FUTURE

36 Impianti e sorgenti: LDR vs. HDR Fonte: LDR HDR 250 # pubblicazioni anno

37 Impianti e sorgenti: LDR vs. HDR Fonte: LDR (no prostata) LDR (prostata) 50 # pubblicazioni anno

39 BRT HDR SCHEMA GENERICO TRATTAMENTI BRACHITERAPIA Rateo di dose: LDR MDR HDR PDR BRT Frazionamento: frazione singola più frazioni Impianto: permanente temporaneo

40 BRT HDR: sorgenti di fotoni Le sorgenti γ sono generalmente incapsulate al fine di: Contenere la radioattività Rendere rigida la sorgente Assorbire le emissioni alfa e beta prodotte dai decadimenti della sorgente Prevenire la fuga di radiazione

41 BRT HDR: sorgenti di fotoni Energia dei fotoni emessi dalla sorgente influenza: Penetrazione della radiazione all interno dei tessuti Requisiti di radioprotezione

42 BRT HDR: sorgenti di fotoni Produzione di fotoni Decadimento gamma + Raggi X caratteristici Raggi γ Stato elettronico eccitato Stato atomico eccitato Raggi X caratteristici

43 BRT HDR: sorgenti di fotoni Produzione di raggi X caratteristici Conversione interna Cattura elettronica Bremsstrahlung dentro la capsula

44 BRT HDR con sorgente di Iridio

46 BRT HDR con sorgente di Iridio Modalità d irraggiamento La sorgente èposta in movimento grazie ad un cavo flessibile

48 BRT HDR con sorgente di Iridio 192 Ir pellet: la parte attiva è lunga 3.6mm e ha un diametro di 0.65mm la parte attiva è custodita in una capsula di acciaio inossidabile

51 BRT HDR con sorgente di Iridio Ir tempo di dimezzamento: giorni attività (GBq) giorni Attività (GBq) Giorno % risp. attività iniziale alla nascita: dismissione: Un trattamento che al giorno 0 dura 10min, al giorno 129 dura 34min

53 BRT HDR GINECOLOGICA: le fasi del trattamento Contornamento target e OAR Posizionamento applicatore Imaging Trattamento Calcolo e ottimizzazione distribuzione di dose Ricostruzione applicatore

54 BRT HDR GINECOLOGICA: trattamento della vagina Applicatore componibile per vagina

55 BRT HDR GINECOLOGICA: trattamento della vagina

68 BRT HDR GINECOLOGICA: trattamento della vagina 110 D90 (% of the prescribed dose) CASE # "classical" cylindrical applicator multichannel applicator

69 BRT HDR GINECOLOGICA: trattamento della vagina 110 V90 (% of the total volume) CASE # "classical" cylindrical applicator multichannel applicator