L ADROTERAPIA Maria Rosaria Masullo

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1 L ADROTERAPIA Maria Rosaria Masullo INFN Sezione di Napoli 15/03/2010 1

2 Acceleratori nel mondo NNel mondo vi sono circa acceleratori di cui circa il97% impiegati in medicina e per applicazioni tecnologiche. Gli acceleratori oggi sono negli ospedali, nelle industrie, uilizzati per indagini sui materiali, per i beni culturali. 15/03/2010 2

3 Radioterapia convenzionale Circa la metà di malati di tumore vengono oggi curati in Italia con la radioterapia con raggi X. Essi sono prodotti da elettroni (di energie dai 6 MeV ai 20 MeV) che, accelerati da acceleratori lineari, colpiscono bersagli di tungsteno. Terapia efficace e poco costosa: circa il 40% dei pazienti curati in tal modo dopo 5 anni non presenta più alcun sintomo...ma rischiamo di colpire anche i tessuti (organi) vicini non malati. Non si può aumetare la dose (energia per unità di massa)... 15/03/2010 3

4 La nascita della protonterapia La protonterapia fa uso di fasci di protoni veloci (dal 20% al 50% della velocità della luce) le cui energie rientrano nell intervallo 62MeV-240MeV. In tale intervallo di energia i protoni possono raggiungere una profondità nei tessuti che va dai 3 cm ai 25 cm. Quando, Dove e Perché? 15/03/2010 4

5 140MeV Proton Bragg Peak Il valore medico del picco di Bragg è stato per la prima volta intuito nel 1946 dal Dr. Bob Wilson; il grafico mostra l effetto ionizzante di un fascio di protoni in funzione della profondità raggiunta nel tessuto. Research Laboratory of Physics, Harvard University Cambridge, Massachusetts 15/03/2010 5

6 Obiettivo della radioterapia Il suo principale obiettivo è il controllo locale del tumore con risparmio dei tessuti sani. L ottimizzazione di questo approccio terapeutico si ottiene massimizzando la finestra terapeutica, definita come la differenza tra la dose necessaria per ottenere l effetto terapeutico e la dose che determina effetti lesivi indesiderati gravi ed irreversibili. 15/03/2010 6

7 I protoni rilasciano la dose massima (picco di Bragg) ad una profondità che dipende dall energia del fascio stesso..più in dettaglio La radioterapia convenzionale utilizza elettroni e raggi X. Problemi: Gli elettroni non penetrano in profondità I raggix rilasciano alte dosi prima del bersaglio, e dosi basse anche dopo Entrambi hanno alta dispersione laterale 15/03/2010 7

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10 La formula di Bethe β 15/03/

11 Struttura di traccia e struttura del bersaglio C-ions α-particles γ-rays 0.3 MeV. Protons 1 MeV 3 MeV charged particles γ-rays Radiazioni non-densamente ionizzanti riparabili Radiazioni densamente ionizzanti difficilmente riparabili 15/03/

12 Picco di Bragg integrato unidirezionale 15/03/

13 Picco di Bragg integrato 2D (da S. Rossi ) 15/03/

14 Vantaggi della protonterapia Valori più alti del rapporto (Dose Curativa) / (Dose Indebita), che permette di aumentare la dose curativa rilasciata per sessione di cura; questo implica: a) la decrescita esponenziale della sopravvivenza delle cellule colpite b) la diminuzione della dose totale assorbita dal paziente. 15/03/

15 La protonterapia è venuta alla luce in centri di ricerca di fisica nucleare, entrando per la porta di servizio. In questi centri erano infatti disponibile, saltuariamente, linee di fascio di protoni. Dopo questa fase di arrangiamento, alcuni centri si sono equipaggiati in modo da fornire un uso sistematico dei fasci di protoni e un adeguata accoglienza ai pazienti. Altri centri hanno preferito interrompere l attività e sono stati quasi tutti sostituiti da centri progettati ad hoc per la protonterapia. 15/03/

16 Solo recentemente ci si è orientati a curare particolari patologie tumorali anche con ioni carbonio (adroterapia). Le statistiche epidemiologiche sono ancora incomplete per il numero ancora esiguo dei casi trattati. I sistemi di accelerazione in questo caso sono molto più costosi e ingombranti poiché c è bisogno di energie molto più elevate rispetto ai protoni per raggiungere le stesse profondità. Esempio: per raggiungere 25 cm è necessario fornire un energia di 240MeV ai protoni mentre per gli ioni carbonio hanno bisogno di circa 400MeV/u. 15/03/

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18 Patient Statistics (for the facilities in operation end of 2009): WHERE WHAT FIRST PATIENT DATE OF TOTAL Canada Vancouver (TRIUMF) p 1995 (137) 145 Dec-09 China Wanjie (WPTC) p 2004 (767) 997 Dec-09 England Clatterbridge p 1989 (1803) 1923 Dec-09 France Nice (CAL) p 1991 (3690) 935 Dec-09 France Orsay (CPO) p 1991 (4497) 4811 Dec-09 Germany Berlin (HMI) p 1998 (1227) 1437 Dec-09 Germany Munich(RPTC) p 2009 (0) 78 Dec-09 Italy Catania (INFN-LNS) p 2002 (151) 174 Mar-09 Japan Chiba (HIMAC) C ion 1994 (4504) 4504 Feb-09 Japan Kashiwa (NCC) p 1998 (607) 680 Dec-09 Japan Hyogo (HIBMC) p 2001 (2033) 2382 Nov-09 Japan Hyogo (HIBMC) C ion 2002 (454) 638 Nov-09 Japan Tsukuba (PMRC, 2) p 2001 (1367) 1586 Dec-09 Japan WERC p 2002 (56) 56 Dec-08 Japan Shizuoka p 2003 (692) 852 Dec-09 Korea Ilsan, Korea p 2007 (330) 519 Dec-09 Russia Moscow (ITEP) p 1969 (4024) 4162 Jul-09 Russia St. Petersburg p 1975 (1327) 1353 Dec-09 Russia Dubna (JINR, 2) p 1999 (489) 595 Dec-09 South Africa ithemba LABS p 1993 (503) 510 Dec-09 Sweden Uppsala (2) p 1989 (929) 929 Dec-08 Switzerland Villigen PSI (72 MeV-Optis) p 1984 (5076) 5300 Dec-09 Switzerland Villigen PSI (230 MeV) p 1996 (426) 542 Dec-09 CA., USA UCSF - CNL p 1994 (1113) 1200 Dec-09 CA., USA Loma Linda (LLUMC) p 1990 (13500) Oct-09 IN., USA Bloomington (MPRI, 2) p 2004 (632) 890 Dec-09 MA., USA Boston (NPTC) p 2001 (3515) 3515 Oct-08 TX, USA Houston p 2006 (1000) 1700 Dec-09 FL, USA Jacksonville p 2006 (988) 1847 Dec-09 IN GRIGIO Total thereof 5142 C-ions protons 15/03/2010 ALL FACILITIES (IN OPERATION AND OUT OF OPERATION) = Grand Total

19 RPTC, Munich* Germany p PSI, Villigen* Switzerland p UPenn* USA p 250 SC cyclotron 250 SC cyclotron 230 cyclotron Med-AUSTRON Austria p, ion synchrotron Trento Italy p CNAO, Pavia* Italy p, ion Heidelberg/GSI Darmstadt* Germany p, ion ithemba Labs South Africa p RPTC, Koeln Germany p WPE, Essen* Germany p CPO, Orsay* France p PTC, Marburg* Germany p, ion Res.Institute, W. Chicago, IL USA p 230 cyclotron 430/u synchrotron 430/u synchrotron 230 cyclotron 250 SC cyclotron 230 cyclotron 230 cyclotron 430/u synchrotron 250 accelerator 4 gantries, with scanning, Additional gantry, 2D 4 gantries 1 horiz. 2 gantries? 1-2 horiz. 1 gantry 1 horiz. 1 gantry? 3 horiz. 1 vert 1 gantry 2 horiz. 4 gantries 1 horiz. 3 gantries 1 horiz. 1 gantry, 4 fixed beams 2-3 gantries, 1-2 horiz /08 (OPTIS2/ Gantry2 ) ?? ? ? ? 5? /03/2010 Kiel Germany p, ion 430/u synchrotron 19 beam

20 Categoria A Tutti i tumori nei quali l uso della protonterapia è acclarato essere vantaggioso, essendo questa l unica via per dare la dose curativa al volume bersaglio minimizzandone l incidenza di gravi effetti collaterali Category B Una grande varietà di tumori caratterizzati principalmente da evoluzione locale, con una limitata probabilità di proliferazione locale, e quindi potenzialmente curabili se si raggiunge un controllo locoregionale Prof. R. Orecchia seminar on 2/12/03, Naples 15/03/

21 In Italia Tipologia dei pazienti per anno della Categoria A Categoria A Uveal Melanoma Chordoma of the Base of Skull Chondrosarcoma of the Base of Skull Spinal Tumours Meningioma of the Base of Skull Schwannoma of Cranial Nerves Pituitary Tumours Total Nuovi pazienti/anno Elettivi per PT 310 (100%) 45 (100%) 90 (100%) 140 (100%) 125 (50%) 45 (15%) 75 (10%) 830 (44%) 15/03/

22 In Italia Tipologia dei pazienti per anno della Categoria B Category B New patients/year Treatable by PT Neuroephitelial brain tumours Brain metastases Head and neck cancers Undifferentiated cancer of thyroid NSCLL Thymomas Oesophageal cancers Biliary tract tumours Liver tumours Pancreatic cancers Cervix uteri cancer Bladder cancers Prostate cancers Pelvic recurrences after surgery Pediatrics tumours Non neoplastic pathologies MAV Retinal macular degeneration Total (20%) 100 (10%) (15%) 50 (50%) (5%) 11 (10%) 142 (5%) 430 (10%) 40 (30%) p.m. 15/03/ > (13%) p.m (10%) 1810 (20%) 598 (20%) (10%) (28%) 250 (50%) 144 (15%)

23 Attualmente sono stati curati circa pazienti (dati aggiornati a Dicembre 2009). L incremento annuo dei pazienti trattati è di circa il 12% 15/03/

24 In Italia: CATANA Il Progetto CATANA Scopo del Progetto: Usare un fascio di protoni di 62 MeV proveniente dal ciclotrone superconduttivo dei Laboratori Nazionali del Sud (LNS) dell INFN di Catania Irradiare tessuti fino ad una profondità di 3cm, tipica delle patologie oculari. 15/03/

25 In Italia: CATANA 15/03/

26 In Italia: CATANA CATANA al Giugno 2009 Sono stati trattati circ170 pazienti in 8 sessioni Trattamento del melanoma coroidale Trattamento delle degenarazioni maculari 15/03/

27 In Italia: il CNA (Centro Nazionale di Adroterapia) Centro Nazionale di Adroterapia (CNA) The CNA was born from the studies performed for Progetto CNAO. The Government announces the selected site on 20 January This site is in Pavia on land belonging to the Commune, close S. Matteo Hospital. 15/03/

28 In Italia: il CNA (Centro Nazionale di Adroterapia) 15/03/

29 In Italia: il CNA O(Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica) Si prevede che il CNA possa trattare 3400 pazienti/anno (850 dei quali tramite protoni) principalmente utilizzando ioni Carbonio (2600). Il primo trattamento previsto per il 2007, si dovrebbe avere nel Si è scelto di utilizzare come acceleratore un sincrotrone. 15/03/

30 In Italia In sintesi, attualmente vi sono solo due iniziative italiane che potrebbero trattare pazienti nel 2010 : CATANA, che rappresenta un centro ancillare dei LNS, e il CNA, che al più potrà trattare pazienti; questo a fronte di un fabbisogno nazionale di circa pazienti da trattare con protoni (la maggior parte) o con ioni carbonio. 15/03/

31 In Italia La produzione dei radionuclidi In aggiunta alla carenza di centri per la protonterapia, in Italia vi è anche un deficit di produzione di radionuclidi utili sia per diagnostica per immagini, sia per terapia, sia per ricerca farmacologica e industriale. Ciò riguarda soprattutto i radionuclidi che possono essere prodotti con energie comprese tra 18MeV e 30MeV 15/03/

32 In Italia The use of radionuclide Thallium 201 and Indium 111, used for PET and SPECT in cardiology and oncology Gallium 67 used for scintigraphy Indium 111 is also utilised in the experimental pharmacology. The production in loco of radionuclides allows: Production of short and very short life radionuclides, which implies: 1) possibility of R&D 2) industrial applications 3) lucrative opportunity 15/03/

33 Una proposta innnovativa: l iniziativa PALME-LIBO L iniziativa PALME-LIBO: un centro combinato per protonterapia e produzione di radionuclidi Questa iniziativa nasce in seno ad una collaborazione tra: Università e Sezione INFN di Napoli Università e Sezione INFN di Milano Università e Sezione INFN di Bari Responsabile nazionale dell iniziativa è l Università e la Sezione INFN di Napoli 15/03/

34 Una proposta innovativa: l iniziativa PALME-LIBO System overview The number of modules is some units smaller than reality 15/03/

35 Una proposta innovativa: l iniziativa PALME-LIBO A COMBINED CENTRE FOR PROTONTHERAPY AND FOR RADIONUCLIDE PRODUCTION Goal of the Centre: The proposed system will combine the advantages of protontherapy and radionuclide production The proton beam energy will allow non-deep protontherapy (max 3cm, eye pathologies) and deep protontherapy (up to 25cm) The beam may be available for specific R&D programs and even for possible industrial applications 15/03/

36 Una proposta innovativa: l iniziativa PALME-LIBO Peculiarity of the Centre Compactness of the system, with respect to the analogous ones having similar performances, to fit in hospital sites Cost reduction overall services being equal (radiotherapy + radionuclide production) 15/03/

37 Che tipo di acceleratore? Tralasciamo gli acceleratori elettrostatici, inadatti per questi scopi. Si ricorre a cavità risonanti ad alto fattore di merito e ad alta frequenza. Più alta è la frequenza maggiore è il campo sostenibile senza che avvengano scariche, minore sarà la lunghezza dell acceleratore. Nel nostro caso si è scelto un LINAC di tipo Side-Coupled (SCL) alimentato a 3 GHz. 15/03/

38 L acceleratore lineare tipo Side-Coupled Per ragioni di compattezza si utilizza un solo alimentatore per un numero molto grande di cavità (circa 50) che si parlano attraverso le fenditure (confine giallo-bianco) Fascio Cavità di accoppiamento Cavità di accelerazione Rame massiccio 15/03/

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41 Il primo modulo di ACLIP appena sfornato 15/03/