APPLICAZIONI DI FISICA NUCLEARE IN RADIOTERAPIA E DIAGNOSTICA MEDICA

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1 APPLICAZIONI DI FISICA NUCLEARE IN RADIOTERAPIA E DIAGNOSTICA MEDICA A cura di Renato Tinti (FIS NUC) RADIOTERAPIA CON ACCELERATORI DI ELETTRONI: IL PROGETTO IORT UTILIZZO DEI PROTONI IN TERAPIA ONCOLOGICA: IL PROGETTO TOP RADIOFARMACI E RADIODIAGNOSTICI PER TERAPIA ONCOLOGICA: LE ATTIVITA CONDOTTE PRESSO TRIGA RC-1 PROGETTAZIONE DI DISPOSITIVI SCINTIGRAFICI MINIATURIZZATI PER IMAGING MEDICO LA RADIOTERAPIA PER CATTURA NEUTRONICA NEL BORO (BNCT): LA COLONNA EPITERMICA DEL REATTORE TAPIRO, IL PROGETTO SPES-BNCT, LE RICERCHE SULLE SORGENTI NEUTRONICHE COMPATTE SVILUPPO DI CODICI PER PIANI DI TRATTAMENTO IN BNCT, ADROTERAPIA, BRACHITERAPIA E STUDI DI OTTIMIZZAZIONE IN TERAPIA CONVENZIONALE

2 La Radioterapia Intraoperatoria La IORT (IntraOperative Radiation Therapy) 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 ben collimato. Il sistema IORT è costituito da : una testa radiante, costituita da un cannone elettronico e da una struttura accelerante lineare un sistema robotico di movimentazione (stativo articolato) il fascio di elettroni viene collimato su di un area detta campo di radiazione. La collimazione avviene per mezzo di opportuni collimatori detti applicatori, realizzati in materiale leggero per minimizzare la radiazione di frenamento

3 Il Progetto IORT dell ENEA Il progetto IORT dell ENEA si è inserito in un processo di miglioramento delle caratteristiche dell apparecchiatura NOVAC per IORT dando una particolare attenzione non solo all acceleratore, per aumentarne l energia e l efficienza, ma anche ai sistemi ausiliari quali dosimetria e piani di trattamento. Testa radiante del Novac 7 Sviluppo Hitesys - ENEA

4 Obiettivo del progetto: Studiare,sviluppare e validare la radioterapia intraoperativa per migliorare i risultati della chirurgia e della radioterapia soprattutto in presenza di tumori localmente avanzati e a crescita locale Attività: Progettazione, realizzazione di un sistema IORT innovativo e sua installazione in una struttura ospedaliera del sud Italia Sviluppo di sistemi dosimetrici dedicati Modellizzazione, simulazione e rappresentazione in realtà virtuale del processo IORT Progetto esecutivo iniziale (approvato con decreto del MURST dicembre 1998) seguito da rimodulazione con nuovo progetto esecutivo del settembre Realizzazione di un unico sistema, IORT-1, con caratteristiche migliorate rispetto al sistema NOVAC7 e cioè Energia max. 12 MeV, corrente variabile ma, stativo articolato ridisegnato Importo del progetto: Lire

5 Caratteristiche tecniche generali del sistema IORT-1 Energia nominale Corrente di fascio Frequenza di ripetizione degli impulsi ( max ) Durata dell impulso Stabilità a lungo termine (3 giorni) Stabilità a breve termine Uniformità del campo Simmetria del campo Ratei di dose Dimensione dei campi Angoli di taglio per ciascun diametro dei collimatori Linearità del sistema dosimetrico Temperatura max di funzionamento Potenza dissipata in ambiente Alimentazione 3, 6, 9, 12 MeV ma 20 Hz 2 µsec 2 % 0.6% < + 5% <2% >4 e < 30 Gy/min 3,4,5,6,8,10,12 cm 0,15,30,45 < 1% 25 C 1 KW 220V monofase 50Hz

6 Confronto tra il sistema IORT-1 e i sistemi attualmente in commercio: performances più elevate, maggiore mobilità, stabilità meccanica e sicurezza IORT-1 Sistemi commerciali (es. NOVAC7) Energia massima 12 MeV 9 MeV Intensità di corrente Peso Dimensioni Movimentazione Controllo elettronico posizione scudo assorbitore Variabile 400 Kg. larghezza 80 cm, altezza 180 cm, lunghezza 200 cm 5 gradi di libertà inclusa traslazione verticale e un movimento di rollio di ± 60. Possibilità di movimentazione a batteria si Fissa 650 Kg. larghezza 100 cm, altezza 220 cm, lunghezza 230 cm Non c e traslazione verticale e il movimento di rollio è limitato a ± 45. No movimentazione a batteria. no

7 PRINCIPALI RISULTATI OTTENUTI ( ) Realizzata la testa radiante del sistema IORT costruita dalla Soc. HITESYS su progetto ENEA. Caratteristiche innovative: modulazione della corrente emessa (0.2 ma- 1mA) tramite l utilizzo di un cannone elettronico a triodo appositamente disegnato incremento di energia (12 MeV) e riduzione delle correnti oscure tramite un particolare disegno delle cavità acceleranti. Completati i disegni esecutivi dello stativo articolato comprensivo dell impianto di alimentazione RF e dell elettronica di controllo (INFO&TECH)

8 Realizzazione dello stativo articolato completo del sistema di alimentazione RF e dell elettronica di controllo (Soc. INFO&TECH)

9 Sistemi dosimetrici dedicati alla terapia IORT (Collaborazione con Dipartimento di Fisica dell Università di Bologna) Realizzazione del dosimetro S1 per la qualificazione del fascio prima dell irraggiamento Realizzato il dosimetro S2 inseribile in fantoccio tessuto-equivalente

10 Modellizzazione e simulazione in Realtà Virtuale del processo IORT (IRE-CETMA) Realizzati i pacchetti software per: acquisizione di immagini TAC della zona da irraggiare segmentazione e classificazione calcolo della distribuzione della dose Acquisiti dispositivi immersivi per simulazione intervento chirurgico in realtà virtuale

11 L utente può 1. Caricare i dati elaborati dal modulo di segmentazione e classificazione 2. Impostare i parametri di irraggiamento 3. Calcolare e visualizzare l effetto dell irraggiamento 4. Salvare una simulazione ( planning ) visualizzazione tessuti-dose Il prodotto realizzato è uno strumento di supporto alla pianificazione e alla decisione clinica può essere utilmente applicato alla formazione del personale medico-chirurgo ( virtual training ) è uno strumento pubblicitario e di divulgazione della metodica IORT per un pubblico non addetto ai lavori

12 ATTIVITA COMPLETATE NEL CORSO DEL 2003 E stata completata l attività sperimentale per la calibrazione della macchina, ed è stata ultimata la procedura per l ottenimento della marcatura CE da IMQ E in corso la procedura per il trasferimento e l istallazione nell ospedale di destinazione (ASL Cosenza) Partners: Ditte: HITESYS, INFO&TECH (unico contratto in corso) Istituti di ricerca: Istituti Fisioterapici Ospedalieri (IFO), CETMA, Università di Bologna Consulenti: Dr. Cretòn, Direttore Radioterapia Villa Flaminia (Roma)

13 IL PROGETTO TOP TOP = Terapia Oncologica con Protoni Progetto Promosso dall ISS nel 1993 Sull Uso dei Protoni in Terapia Oncologica Scopo: Costruire ed installare presso l ospedale Regina Elena in Roma un acceleratore per protonterapia per valutarne l efficacia clinica

14 Adroterapia nel mondo

15 Adroterapia in Italia CATANA (INFN, LNS - Catania) 32 pazienti CATANA Centro di AdroTerapia e Applicazioni Nucleari Avanzate Altre iniziative in realizzazione: TOP(Roma) CNA(Pavia) Altre (Trento, Catania)

16 Storia del Progetto TOP Il progetto TOP "Sviluppo dell'uso di protoni in terapia oncologica" (TOP, Terapia oncologica con protoni) è stato attivato dall Istituto Superiore di Sanità (nell'ambito dei progetti di ricerca relativi all'art. 12 del DL 502/92 modificato dall'art. 14 del DL 517/93) Il responsabile è il Dr. Martino Grandolfo dell ISS Scopo: Costruire ed installare presso un sito ospedaliero un acceleratore per protonterapia per valutarne l efficacia clinica Furono individuati: Istituto Regina Elena come sito ospedaliero (riferimento Dr. M. Benassi) ENEA come soggetto tecnologico cui affidare lo sviluppo e la realizzazione del TOP Linac (riferimento Dr. L. Picardi) Nel Dicembre 1995 il Comitato Scientifico del Progetto TOP selezionò il progetto TOP LINAC dell ENEA di acceleratore lineare (TOP Linac), richiedendo espressamente di scegliere un iniettore che consentisse anche la produzione di isotopi radioattivi utili per la PET Il Progetto TOP ha ricevuto un totale di 8.3 MLD. Ad oggi il progetto non ha ancora ottenuto il finanziamento previsto per l intera realizzazione che è di 32 M. L ISS e l ENEA hanno siglato due convenzioni finalizzate all avvio della costruzione dell acceleratore.

17 LAYOUT DEL TOP LINAC INIETTORE 7 MeV 30 m SCDTL 65 MeV Produzione Radioisotopi Fascio fisso verticale 200 MeV SCL MeV Terapia Occhio (3.5 cm profondità) Radiobiologia Dosimetria Fascio fisso orizzontale 200 MeV (20 cm profondità)

18 Costi e tempi di costruzione M, IVA inclusa Alta Tecnologia 22 Iniettore (7 MeV) 2.2 Linea di Trasporto del fascio a 7 MeV 0.5 Sezioni Acceleranti tra 7 e 65 MeV 3.0 Linea di trasporto del fascio a 65 MeV 0.5 Linee di radiobiologia e dosimetria 0.6 Sezioni Acceleranti da 65 a 200 MeV 5.9 Linee di trasporto fascio a 200 MeV in Sala 2 e in Sala Nozzles e sistemi di scansione 2.5 Monitoraggio, treatment planning, posizionamento 4.5 Costi di sviluppo dell alta tecnologia (5%) 1 Riserve sull alta tecnologia (10%) 2 Edifici ed impianti convenzionali 5 Costi del personale durante la costruzione (30 unità) - TOTALE Progettazione esecutiva e test di prototipi X X X Fase 1 costruzione fino a 65 MeV X X X X X X Fase 2 completamento dell acceleratore X X X X X X X Operatività della Sala 1 X X X X X X X Operatività della Sala 2 e della Sala 3 X

19 Iniettore: PL7- AccSys 7 MeV Proton linac Source (Duplasmatron), RFQ 3 MeV, DTL 4 MeV, RF 425 MHz From AccSys Inc. Pleasanton, CA FAT on Spring 2001 for 18 F production and protontherapy beam Delivered in Frascati in May 2001 RFQ DTL SCDTL 7 MeV 18 F Production

20 Iniettore nel Bunker prova macchine a Frascati RFQ DTL

21 Primo modulo SCDTL (Side Coupled Drift Tube Linac) ( MeV) Brevetto ENEA, Lunghezza 1.4 m, Costo di manifattura e brasatura 100,000

22 Struttura SCDTL

23 Attività in corso sul progetto TOP 1. Completamento dell iniettore, installazione al CR Frascati in bunker, test di macchina, caratterizzazione, e operator training con personale IFO e ISS 2. Completamento della linea di trasporto per iniezione del fascio di protoni nel primo modulo SCDTL 3. Montaggio del modulo SCDTL nel bunker e test di accelerazione di protoni a 13.5 MeV. 4. Cura delle relazioni con ISS e IFO finalizzate all ottenimento del finanziamento totale

24 RADIOFARMACI E RADIODIAGNOSTICI PER TERAPIA ONCOLOGICA: LE ATTIVITA CONDOTTE PRESSO TRIGA RC-1 Da alcuni anni presso il reattore TRIGA sono in corso di svolgimento una serie di attività sperimentali aventi per oggetto la sintesi, caratterizzazione e sperimentazione clinica di radiofarmaci e radiodiagnostici per terapia oncologica. Le principali attività possono essere così riassunte: Utilizzo dello 89 Sr per palliazione nel dolore da metastasi ossee Brachiterapia con beta emittenti in patologie tumorali

25 UTILIZZO DELLO 98 Sr PER PALLIAZIONE DEL DOLORE DA METASTASI OSSEE 98 Sr, beta emittente puro, T 1/2 =51 gg, E max =1.46 MeV Iniettato per endovena come sale solubile Si fissa preferenzialmente in adiacenza alle lesioni metastatiche Irraggia sia i bordi tumorali che le terminazioni nervose ossee Viene eliminato con le urine (problema di radioprotezione ed economico) INNOVAZIONI INTRODOTTE Messo a punto e brevettato un processo per il recupero completo dello 98 Sr, di purezza tale da poter essere riutilizzato Ottimizzata una metodica originale di visualizzazione scintigrafica mediante gamma camera che, utilizzando solamente il bremsstrahlung generato dallo 89 Sr, consente di effettuare una misura quantitativa della dose impartita ad ogni singola lesione ossea. Il protocollo è stato inserito come metodo ufficiale di valutazione quantitativa del Gruppo di Studio per le Metastasi Ossee dell Associazione Italiana di Medicina Nucleare.

26 BRACHITERAPIA CON BETA EMITTENTI IN PATOLOGIE TUMORALI Brachiterapia convenzionale con sorgenti gamma emittenti ad ago o a grano Eccellenti successi in campi specifici (es. 125 I nel tumore primitivo prostatico), ma la tecnica è poco utilizzata per varie ragioni, non ultima la spazialmente limitata efficacia terapeutica INNOVAZIONI INTRODOTTE Realizzati processi preparativi di microsfere di polimero riassorbibile che contengono inglobate nella loro matrice quantità variabili di isotopi beta emittenti ( 166 Ho e 90 Y), microsfere sospese a loro volta in un gel biocompatibile che ne permette una somministrazione controllata al paziente Effettuando una distribuzione spaziale delle particelle beta emittenti all interno della massa di tessuto tumorale solido a bordi definiti, per via intratissutale o intraarteriosa, è quindi possibile in linea di principio distruggere selettivamente il tumore con una selettività verso il tessuto sano dell ordine di un millimetro

27 BRACHITERAPIA CON BETA EMITTENTI IN PATOLOGIE TUMORALI Radioisotopo Reazione di produzione Nome Radiazione emessa T 1/2 90 Y β - da 2.3 MeV 64 h 89 Y (n,γ) 90 Y 166 Ho β - da 1.8 MeV 27 h 165 Ho (n,γ) 166 Ho Il reattore TRIGA rappresenta il mezzo indispensabile per la preparazione mirata su piccola e media scala di isotopi quali 166 Ho e 90 Y, di particolare interesse ai fini terapeutici

28 BRACHITERAPIA CON BETA EMITTENTI IN PATOLOGIE TUMORALI Il processo preparativo delle microsfere polimeriche, contenenti isotopi beta emittenti e sospese in gel, è stato brevettato in Italia e in Europa, e, dopo le preliminari valutazioni di tossicità e di efficacia su animali, è iniziata una fase di sperimentazione clinica I pazienti finora trattati presso il Reparto di Medicina Nucleare dell Ospedale S. Eugenio di Roma sono stati oltre quaranta, per un totale di circa ottanta diverse applicazioni, su tumori solidi cerebrali, splenici, epatici, renali, tumori cervicali, metastasi ossee singole I preliminari risultati clinici appaiono decisamente confortanti

29 PROGETTAZIONE DI DISPOSITIVI SCINTIGRAFICI MINIATURIZZATI PER IMAGING MEDICO L'imaging scintigrafico fornisce informazioni sulla funzionalità degli organi interni sotto indagine Modalità d' impiego: Somministrazione di un farmaco marcato con radioisotopi emettitori γ e/o β +. Accumulo del tracciante nell'organo bersaglio ed emissione di primaria o secondaria di fotoni γ Rivelazione, eventuale collimazione, formazione del segnale, digitalizzazione e conversione in immagine (eventuale ricostruzione tomografica) Campo di intervento FIS-ION Progettazione dei dispositivi di collimazione e dei detector a scintillazione, phantom digitali Progettazione di tomografi Analisi d'immagine

30 PROGETTAZIONE DI DISPOSITIVI SCINTIGRAFICI MINIATURIZZATI PER IMAGING MEDICO Classificazione dei dispositivi Scintigrafia Classica Ampio campo visivo, risoluzione relativamente bassa, costi medio alti Follow-up, Clinica Positron Emission Tomography and Single Photon Emission Tomography Analisi funzionale, capacità dinamiche, alti costi di gestione Sviluppo di farmaci, cinetiche enzimatiche, follow-up, controlli clinici Sistemi dedicati Alta risoluzione, portatili, piccolo campo visivo, economicità Farmacologia su piccoli animali, biopsie guidate, uso intraoperatoriale

31 PROGETTAZIONE DI DISPOSITIVI SCINTIGRAFICI MINIATURIZZATI PER IMAGING MEDICO Collaborazioni in fase di perfezionamento nel 2004 Progetto di un collimatore a focus variabile per il dispositivo imaging probe IP-824 da impiegare per la localizzazione di noduli tiroidei Progetto di un anello tomografico basato su IP-428 per l'esame della prostata Partners ENEA MAT-NANO, ENEA FIS-ION, CNR-ISIB, Li-tech, INNOVA PER INFORMAZIONI burgio@casaccia.enea.it

32 LA TERAPIA PER CATTURA NEUTRONICA NEL BORO (BNCT)

33 LA TERAPIA PER CATTURA NEUTRONICA NEL BORO (BNCT) La terapia per cattura neutronica nel boro (BNCT) è un trattamento binario che sfrutta la reazione 10 B(n,α) 7 Li che si verifica in seguito all assorbimento di neutroni termici (E<1 ev) da parte di nuclei di 10 B trasportati con un opportuno carrier nelle cellule neoplastiche Per tumori superficiali (melanoma maligno) e tumori in organi espiantabili si utilizzano sorgenti di neutroni termici; per tumori profondi (glioma cerebrale) si utilizzano sorgenti di neutroni epitermici Si stanno studiando nuovi composti del boro e del gadolinio in grado di ottimizzare il rapporto dose al tumore dose al tessuto sano Presso ENEA, in collaborazione con altri enti ed ospedali, si stanno studiando sorgenti di neutroni termici ed epitermici da reattore e da acceleratore, con fasci neutronici di caratteristiche tali da permettere il trattamento di alcuni tipi di tumori

34 BNCT DEL GLIOMA CEREBRALE: LA SORGENTE DI NEUTRONI EPITERMICI AL REATTORE TAPIRO SCOPO: Progettare e costruire una facility al TAPIRO per trattare con BNCT pazienti con glioma cerebrale. Progettazione mediante simulazione numerica con metodo Monte Carlo e utilizzo di fantocci antropomorfi PRODOTTO: 1) Una facility di neutroni epitermici costruita al TAPIRO per irraggiare campioni e cavie. 2) Una facility di neutroni epitermici progettata al TAPIRO per irraggiare pazienti (attualmente in costruzione).

35 BNCT DEL GLIOMA CEREBRALE: LA SORGENTE DI NEUTRONI EPITERMICI AL REATTORE TAPIRO TAPIRO è un reattore veloce situato all interno del Centro ENEA di Casaccia: Potenza relativamente bassa (5 kw o neutroni/s) Nocciolo molto piccolo e altamente arricchito (altezza 11 cm, diametro 12 cm, arricchimento in 235 U 93.5%). Già in operazione una facility epitermica per irraggiare campioni biologici ed animali da laboratorio oltre che testare rivelatori e strumentazione.

36 IL PROGETTO DELLA NUOVA COLONNA EPITERMICA Sezione verticale Materiali utilizzati per la colonna epitermica: (dimensioni in cm) Sezione orizzontale Moderatore: AlF 3 (1.85 g/cc) Riflettore: Ni Collimatore: Pb Parametri di fascio libero: Φ n epith (0.4eV 10keV) (neutroni cm -2 s -1 ): Dose da neutroni veloci (in acqua) / Φ n epith (Gycm 2 ): Dose γ / Φ n epith (Gycm 2 ): J n epith / Φ n epith : 0.73

37 IL PROGETTO DELLA COLONNA EPITERMICA total dose to tumour 10B dose (tumour) total dose to healthy tissue neutron dose 10B dose (healthy tissue) photo-electronic dose Gy Eq /min CERVELLO mm into cranium PRESTAZIONI (con 18 ppm di 10 B nel sangue e 65 ppm nel tumore): tempo di terapia: 42 min per dare una dose massima al tessuto sano di 12.6 Gy eq. rapporto terapeutico massimo (dose max. al tumore / dose max. al tessuto sano ): 5.7 profondità di vantaggio nel cranio: 95 mm; profondità di terapia: 75 mm. I risultati ottenuti sono molto soddisfacenti, tenendo conto che TAPIRO ha P = 5kW, di gran lunga inferiore agli altri reattori attualmente utilizzati in BNCT. La qualità terapeutica è paragonabile a quella delle migliori facilities attualmente in uso.

38 SPES-BNCT: UNA FACILITY PER IL TRATTAMENTO DEL MELANOMA CUTANEO Il progetto SPES-BNCT ha come scopo lo sviluppo di una sorgente di neutroni termici per la BNCT del melanoma cutaneo pigmentato; verrà utilizzato un fascio intenso di protoni ( 5MeV 30 ma) generato dall RFQ iniettore del linac per fasci radioattivi del progetto INFN-SPES TRASCO SPES 5 MeV 30 ma RFQ φ th ( 0.5eV ) 10 9 [cm 2 s 1 ] φ th / φ tot 0.9 ( Ý D no th + Ý D gamma )/φ therm [Gy cm 2 ]

39 RIB production target 5 ma p Superconducting main linac Proton injector Beam dump Low energy high current applications Trips LEBT RFQ rastering BNCT moderator 30 ma p 3 ma d A/q=3 upgrade

40 Ist. Oncol. Veneto Dip. Biologia MOLTENI FARM. POLIMI ENEA INFN-LNL Caso Clinico Carrier del Boro Farmacocinetica Farmacodinamica Distr. Neutroni Moderatore Target Moderatore Shielding Radioprotezione Safety Ing. di sistema Licensing Operazioni su TAPIRO Acceleratore Target Moderatore Dosimetria Tec. Analisi Shielding Radioprotezione Licensing Gruppo Coordinato Programma di lavoro : attività che si inizieranno. Sviluppo carrier Target Moderatore Dosimetria Misure su TAPIRO Radioprotezione Analisi LNL Licensing

41 La facility sperimentale LNL BNCT Attuale configurazione geometrica della facility Contenitore in Teflon della D 2 O (I 0 moderator stage) Contenitore di D 2 O racchiuso in una struttura di grafite Reactor Grade (RG) (II 0 moderator stage) Cavità di irraggiamento in Teflon (CF 2 ) Posizione di irraggiamento accostata alla superficie laterale esterna

42 La facility sperimentale LNL BNCT

43 TARGET BNCT: CODICI DI TERMOFLUIDODINAMICA Andamento temporale della potenza Schema geometrico Andamento temporale della temperatura all'avviamento (codice T-ROTA)

44 LE NUOVE MOLECOLE/CARRIER DEL BORO Boronated phthalocyanine tetrasubstituted 40 atomi di B 10 per molecola 10 B 10 H B 10 H B 10 H B 10 H 14 Composti ad oggi più comunemente usati: 10 B enriched 4-Borono-L-phenylalanine (BPA-borofenilanina)), Porfirine boronate, 10 B enriched Sodium mercaptododecaborate (BSH- sodio borocaptato)

45 RISULTATI PRELIMINARI DELL IRRAGGIAMENTO DI RATTI CON MELANOMA CUTANEO SULLA COLONNA TERMICA DI TAPIRO E stato misurato con precisione l effetto microscopico del campo di radiazione di Tapiro sulle cellule viventi Le curve riportano i risultati preliminari riguardanti la crescita di un tumore sperimentale (melanoma pigmentato) impiantato su topi. Il grafico riporta i dati della popolazione di controllo, di due popolazioni irradiate per 20 e 30 minuti senza 10 B (nessuna differenza da quelli di controllo) e di due popolazioni irradiate per 20 e 30 minuti dopo che ai topi era stata iniettata la PHTALOCIANINA BORATA TETRASOSTITUITA che si accumulava nel tumore (netta differenza sia dai topi di controllo sia da quelli irradiati senza 10 B). Tumour volume [cm 3 ] control 20' irradiation 30' irradiation 20' irradiation with B-Pc 30' irradiation with B-Pc Post-irradiation time [day] Death for collateral radiation damage Dai risultati preliminari degli irraggiamenti effettuati si può intuire che si sta iniziando a controllare la cresita tumorale usando nuove sostanze, che hanno una grande selettività per il tumore. TAPIRO è forse l unico strumento oggi pienamente disponibile per portare avanti questi studi in Italia. I primi risultati indicano che il metodo merita un approfondimento; per fare ciò occorre che la struttura di irraggiamento (colonna termica) venga modificata per migliorarne il campo di radiazione aumentando la sua efficacia terapeutica (oltre i 20 minuti di irradiazione i topi muoiono per danni dovuti a radiazionie gamma spuria che non ha efficacia terapeutica).

46 LA PARTECIPAZIONE ENEA AL PROGETTO BOROTERAPIAPIEMONTE DELL OSPEDALE LE MOLINETTE DI TORINO E DEL GRUPPO EUROSEA Prima fase del progetto: fattibilità di una sorgente compatta di neutroni ( ) Seconda fase: realizzazione dell impianto e localizzazione in un ospedale della regione Piemonte Coordinamento EUROSEA ( European Interregional Committee for the Development of Innovative Energy- Environment Systems PoliMi, PoliTo, UniPi, UniTo, UniGe. Finanziamento prevalentemente da Fondazione San Paolo. Strutt. Ospedaliera di riferimento Le Molinette di Torino Trattamento loco-regionale del tumore al fegato utilizzando il 157 Gd (normalmente utilizzato come mezzo di contrasto in NMR) quale assorbitore, impiantato con catetere dall arteria epatica (sezione d urto di cattura di barn contro i 3840 barn del 10 B, 158 Gd ed elettrone Auger). Il carrier del Gd realizzato dalla Bracco Farmaceutici in collaborazione con UniTo.

47 LA PARTECIPAZIONE ENEA AL PROGETTO BOROTERAPIAPIEMONTE DELL OSPEDALE LE MOLINETTE DI TORINO E DEL GRUPPO EUROSEA Estensione del trattamento al GlioBlastoma Individuata come sorgente compatta iniziale la sorgente D-D, concetto NCT di Berkeley; acquistata da Berkeley la sorgente D-D da n/s Moderatore solido (Fluental o Fluoruro di Al) da ottimizzare, progetto della sorgente neutronica epitermica pulita e collimata (part. ENEA) Utilizzo di TAPIRO per gli irraggiamenti di colture cellulari caricate in gadolinio e boro e di animali da laboratorio per la qualifica del metodo e la validazione del carrier (part. ENEA) Messa a punto di metodi di calcolo dedicati, dosimetria, impiantistica ed ingegneria del sistema (part. ENEA)

48 SVILUPPO DI CODICI PER PIANI DI TRATTAMENTO IN BNCT, ADROTERAPIA, BRACHITERAPIA E STUDI DI OTTIMIZZAZIONE IN TERAPIA CONVENZIONALE La Modellazione del Corpo Umano tramite geometrie a VOXEL: un approccio Monte Carlo innovativo per il trattamento del trasporto di radiazione in geometrie complesse basate su immagini TAC. Scopo: Produrre un codice di trasporto di radiazione utilizzabile sia in terapia convenzionale (e -, γ) che in terapie innovative (neutroni per BNCT, p + per adroterapia, brachiterapia) da utilizzare come riferimento e supporto per programmi dedicati alla definizione dei piani di trattamento. Prodotto: Una versione estesa e modificata del codice MCNPX é stata sviluppata per consentire il trasporto di radiazione sia nella modalità standard del codice sia nella modalità a voxel, utilizzando direttamente i dati risultanti da una analisi TAC di un qualsiasi oggetto da studiare. Collaborazioni: ENEA IRP, Istituti Ortopedici Rizzoli di Bologna

49 SVILUPPO DI CODICI PER PIANI DI TRATTAMENTO IN BNCT, ADROTERAPIA, BRACHITERAPIA E STUDI DI OTTIMIZZAZIONE IN TERAPIA CONVENZIONALE direzioni di lavoro: 1) sviluppo dell algoritmo che modifica il codice MCNP/MCNPX abilitandolo a calcolare il tracking delle particelle in una generica geometria voxel 2) elaborazione di modelli computazionali voxel, da immagini medicali, adatti nelle caratteristiche fisiche ed informatiche all utilizzo con i codici numerici di trasporto nella metodologia finale: la geometria del paziente (o fantoccio dosimetrico) viene trasferita al codice Monte Carlo, direttamente dal formato originario TAC-DICOM, senza alcun interfaccia di conversione della matrice voxel nella geometria standard MCNP

50 Modello VOXEL dettagliato di un fantoccio plastico dosimetrico FANTOCCIO SCAN TAC slices FANTOCCIO VOXEL da DATI TAC 512 x 512 matrici TAC 250 slices 65 x 10 6 voxel GEOMETRIA INPUT per simulazioni con MCNP/X

51 Fantoccio plastico Alderson TM Caratteristiche antropomorfe dettagliate adatte a dimostrare la metodologia

52 Modello voxel per MCNP elaborazione dati immagini con IDL

53 STUDI DI OTTIMIZZAZIONE IN TERAPIA CONVENZIONALE (γ,n): DOSIMETRIA DEL PAZIENTE NELLE TERAPIE CONVENZIONALI (VALUTAZIONE DEL FONDO NEUTRONICO) Scopo: 1) valutare la dose indesiderata dovuta al fondo neutronico per pazienti sottomessi alla radioterapia convenzionale (LINAC di MeV). 2) progettare le sale di irraggiamento tenendo conto delle radiazioni sovracitate per proteggere i lavoratori esposti. Prodotti: Codici Monte Carlo GAMMAN e NEEDLE che calcolano la dose ai pazienti dovuta sia ai fotoni di terapia sia ai neutroni indesiderati; inoltre calcolano la dose ai lavoratori esposti dovuta ai neutroni indesiderati. Questi codici sono stati validati con misure fatte dall INFN, Torino e dal Karolinska Institute di Stoccolma ( attività in corso). Collaborazioni: INFN Torino Karolinska Institute di Stoccolma

54 Hanno contribuito alla realizzazione della presentazione: Kenneth William Burn (FIS NUC) Nunzio Burgio (FIS ION) Lodovico Casalini (FIS NUC) Silvio Cevolani (FIS NUC) Claudia Daffara (Borsa di Studio) Armando Festinesi (FIS ION) Elisabetta Nava (FIS NUC) Luigi Picardi (FIS ACC) Concetta Ronsivalle (FIS ACC) Giancarlo Rosi (FIS ION) Renato Tinti (FIS NUC)