ACCELERATORI E RIVELATORI PER L ADROTERAPIA

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1 ACCELERATORI E RIVELATORI PER L ADROTERAPIA Saverio Braccini e Ugo Amaldi TERA Fondazione per Adroterapia Oncologica Frascati - 22 ottobre SB 1

2 Hadrons we know! gluon Frascati - 22 ottobre SB 2

3 L3 a LEP: Misura di de/dx dx Frascati - 22 ottobre SB 3

4 HADRON therapy 4500 MeV CARBON PSI Villigen (CH) Frascati - 22 ottobre SB 4

5 Comparison: X (IMRT) vs protons eyes abdomen brain Frascati - 22 ottobre SB 5

6 RBE degli ioni Carbonio In una cellula uno ione carbonio lascia 23 volte piu energia di un protone La qualità qualità della deposizione di energia e diversa e quindi gli effetti diretti sul DNA sono maggiori di quelli indiretti Gli ioni carbonio sono efficaci sui tumori RADIORESISTENTI Frascati - 22 ottobre SB 6

7 TRATTAMENTO DEI TUMORI 100 % dei malati di tumore 90 % Curabili 45 % Trattamenti locali (chirurgia, radioterapia) 40 % 56 % 44 % Incurabili 55 % Altri trattamenti (chemioterapia, ecc) 5 % Solo chirurgia 22 % Con radioterapia 18 % 40 % DEI CURABILI Frascati - 22 ottobre SB 7

8 Numero di pazienti potenziali in Italia Terapia con raggi X (fotoni da 5 20 MeV) 20'000 pazienti/anno ogni 10 milioni di abitanti Protonterapia Categoria A: 1% dei pazienti X = 200 pz/anno ogni 10 M Categoria B: 10% dei pazienti X = 2'000 pz/anno ogni 10 M Terapia con ioni carbonio dei tumori radioresistenti 10% dei pazienti X = 2'000 pz/anno ogni 10 M Associazione Italiana di Radioterapia Oncologica AIRO: in Italia 1 centro per carbonio e 3-5 centri per protoni Frascati - 22 ottobre SB 8

9 Adroterapia nel mondo NORTHEAST PROTON THERAPY CENTER NPTC of Mas General Hospital Boston (2001) protons ( 235 MeV) cyclotron (IBA) 2 gantries + 2 fixed beams Midwest Proton Radiaton Institute Bloomington (IN) (2003) protons ( 210 MeV) from cyclotron 1gantry+ 1fixed beam+ 1experimental LOMA LINDA UNIVERSITY CENTER Los Angeles (1992) protons ( 250 MeV) from synchrotron 3 gantries + 2 fixed beams M.D. Anderson Cancer Center Houston (TX) (2004) protons ( 235 MeV) from cyclotron 3 gantries + 1 fixed beam + 1 experimental Frascati - 22 ottobre SB 9

10 Adroterapia nel mondo WAKASA BAY PROJECT by Wakasa-Bay Energy Research Center Fukui (2002) protons ( 200 MeV) synchrotron (Hitachi) 1 h beam + 1 v beam + 1 gantry HYOGO MED CENTRE Hyogo (2001) protons ( 230 MeV) - He and C ions ( 320 MeV/u) Mitsubishi synchrotron 2 p gantries + 2 fixed p beam + 2 ion rooms TSUKUBA CENTRE Ibaraki (2001) protons ( 270 MeV) synchrotron (Hitachi) 2 gantries 2 beam for research KASHIWA CENTER Chiba (1998) protons ( 235 MeV) cyclotron (IBA SHI) 2 Gantries + 1 hor. beam HEAVY ION MEDICAL ACCELERATOR HIMAC of NIRS (1995) He and C ( 430 MeV/u) 2 synchrotrons 2 h beams + 2 v beams SHIZUOKA FACILITY Shizuoka (2002) protons cyclotron or synchrotron 2 gantries + 1 h beam Frascati - 22 ottobre SB 10

11 Adroterapia nel mondo Centri ospedalieri di protonterapia profonda in costruzione tre in USA due in Cina uno in Corea uno in Germania uno in Svizzera Frascati - 22 ottobre SB 11

12 Progetti europei per la terapia con ioni carbonio GSI Darmstadt Progetto pilota con ioni carbonio 200 pazienti trattati Frascati - 22 ottobre SB 12

13 HICAT - Heidelberg Finanziati: 72,5 Meuro Pronto nel 2006 Frascati - 22 ottobre SB 13

14 In Italia CNA = Centro Nazionale di Adroterapia La Fondazione TERA lo ha promosso e progettato; nel 2000 ha ottenuto l approvazione del Governo e 20,6 MEuro La Fondazione CNAO (Presidente( Presidente: : E. Borloni), creata nel 2001, ha ottenuto ulteriori finanziamenti e ha in corso la gara per l edilizia a Pavia Il 26 settembre TERA ha passato alla CNAO i disegni e le specifiche definitive dell alta tecnologia Frascati - 22 ottobre SB 14

15 Il Centro Nazionale di Adroterapia (CNA) Frascati - 22 ottobre SB 15

16 CNA = Centro Nazionale di Adroterapia per p e 12 C Fase 1 Frascati - 22 ottobre SB 16

17 Entrata principale ed edificio del sincrotrone STUDIO CALVI s.r.l. Ingegneria e Architettura, Aprile 2003 Frascati - 22 ottobre SB 17

18 Magneti Frascati - 22 ottobre SB 18

19 Cavità a radiofrequenza Frascati - 22 ottobre SB 19

20 Tabella dei tempi Progetto definitivo: agosto 2002 settembre 2003 Consegnato alla CNAO il 26 setttembre ottobre 2003: : chiusura della gara di appalto europea bandita dalla CNAO per il progetto definitivo degli edifici e la direzione lavori Frascati - 22 ottobre SB 20

21 Day-hospital Funzionamento del CNAO 80% trattamenti con ioni e 20% con protoni tempi liberi per ricerca e sviluppo Durata seduta: ca minuti di cui minuti per l irraggiamento Anno di funzionamento Turni di lavoro per i trattamenti regime Ore giornaliere di funzionamento Giorni di funzionamento / settimana Settimane equivalenti / anno Giorni equivalenti / anno Pazienti che si trattano / anno Numero sedute effettuate all anno Frascati - 22 ottobre SB 21

22 Fase 2 Frascati - 22 ottobre SB 22

23 Centro di AdroTerapia e Applicazioni Nucleari Avanzate LNS-INFN, University of Catania and Palermo, IST Messina Treatments of ocular melanoma with proton beams: first time in Italy! [ Frascati - 22 ottobre SB 23

24 PASSIVE SCANNING Frascati - 22 ottobre SB 24

25 ACTIVE SCANNING patient fast slow horizontal scanning vertical scanning beam direction tumour volume energy variation from the synchrotron Frascati - 22 ottobre SB 25

26 PRASSI : un progetto della fondazione TERA MASA con Università e INFN di Genova MATRIX con Università e INFN di Torino SLIM con CERN (Ginevra) + Ispra (JRC) (per test su fascio) INTEGRAZIONE Frascati - 22 ottobre SB 26

27 SLIM (Sem for Low Interception Monitoring) PROFILE/CURRENT MEASUREMENT vacuum chamber HV electron detector e beam hadron beam secondary emission foil (G. Molinari, CERN) collection of secondary electrons (SE) emitted by µm aluminum (Al-Al 2 O 3 -Al) foils Frascati - 22 ottobre SB 27

28 hadron hadron beam beam Focalization System CMOS/PAD DETECTORS foil: V cage: V ring: /16800 V cylinder 1: 0 V cylinder 2 + detector: 0 V TERA + SUCIMA (EU) foil cage wire spacing : 4 mm wire diameter : 40 µm wire arc: 60 0 detector cylinder 1 cylinder 2 Frascati - 22 ottobre SB 28

29 Frascati - 22 ottobre SB 29

30 TEAM Frascati - 22 ottobre SB 30

31 MASA Perchè superconduttore? Possibilità di colpire il tumore da direzioni diverse Magnete resistivo: : Peso 70 ton Consumo > 500 kw Magnete superconduttore: Resistenza nulla, campi magnetici più elevati in strutture più piccole e più leggere Risparmio sui costi costruttivi Risparmio sui costi di esercizio SVANTAGGI: Necessità di raffreddare il magnete a 270 gradi circa Frascati - 22 ottobre SB 31

32 PROGETTO MASA Due linee di sviluppo Studio di fattibilità di un dipolo curvo superconduttore Studio di un apparato criogenico dedicato Frascati - 22 ottobre SB 32

33 PRIMO PROTOTIPO Frascati - 22 ottobre SB 33

34 MATRIX Camere a ionizzazione a pixel kapton (< 15 µm ) + Cu (<( < 25 µm) Pixel : 1024 (32 32) Dimensione pixel : mm 2 Area rivelatore: : cm 2 Pitch = 6.6 mm Frascati - 22 ottobre SB 34

35 Prototipo Informazione 2-D2 Camera Monitor Dosimetro Elettronica di lettura Chip VLSI TERA Frascati - 22 ottobre SB 35

36 Test prototipo Precisione spaziale prototipo: 100 µm Frascati - 22 ottobre SB 36

37 Percorso di un trattamento adroterapico INTEGRAZIONE - TPS localizzazione del Tumore Immobilizzazione del paziente posizionamento del paziente Quality assurance & Verifica Imaging Calcolo del piano di trattamento Trattamento Frascati - 22 ottobre SB 37

38 Atlante Creare un atlante per la comparazione di differenti piani di trattamento utilizzando: elettroni/fotoni protoni ioni Carbonio per il medesimo tipo di tumore. Frascati - 22 ottobre SB 38

39 Alcuni punti per il futuro Computed Aided Positioning IORT con adroni Acceleratori lineari Frascati - 22 ottobre SB 39

40 Computed Aided Positioning in Hadrontherapy Sincronizzazione con il respiro TVC Gantry Couch Frascati - 22 ottobre SB 40

41 Advanced techniques: : IORT Electron energies: 3 9 MeV Mean dose rate: 6 30 Gy/min Irradiation time (21 Gy): min Frascati - 22 ottobre SB 41

42 LInear BOoster cyclotron Input Energy 30 MeV LIBO-30 scheme Total length = 15 m Output Energy 200 MeV Module MeV Prototype of LIBO30 Frascati - 22 ottobre SB 42

43 Linear BOoster LIBO module tested At CERN and LNS CERN-INFN INFN-TERA Collaboration 73 MeV Frascati - 22 ottobre SB 43

44 Therapy Cyclone30 ROOM 3 ROOM 1 CONTROL ROOM MAINTENANCE TECNICAL ROOM SOURCES 30 MeV CYCLOTRON WC WC ROOM 2 POWER SUPPLIES PET HOT LABORATORY CTRL RADIO BIOLOGY AMBULATORY PHARMACY DOSI METRY ROOM WC CTRL CTRL DRESSING. ROOM OFFICE CAP WAITING ROOM CAP DRESSING. ROOM CTRL CTRL EYE DRESSING ROOM RECEPTION MEN TOILET WAITING ROOM CONTROL ROOM DOSI METRY ROOM EMERGENCY SHOWER WOMEN TOILET WC INJECTION ROOM COOLING WC OFFICE PET TARGET OFFICE GAMMA CAMERA 1 SOLID TARGET HOT LABORATORY PET RADIOCHEMESTRY PET QUALITY CONTROL STORAGE OFFICE OFFICE OFFICE WC PERSONNEL ACCESS OFFICE OFFICE OFFICE OFFICE IDRA WAITING AREA PATIENT ACCESS Studio Belgiojoso. PET DIAGNOSTICS BLOOD CONTROL ROOM STORAGE CTRL ROOM OFFICE GAMMA CAMERA 2 WAITING ROOM INJECTION ROOM Diagnostics PERSONNEL ACCESS Frascati - 22 ottobre SB 44

45 CLUSTER module with one permanent quadrupole 20 modules to accelerate carbon ions from 30 MeV/u to 350 MeV/u (R= 20 cm) Total length for a 3 GHz structure = 32 m Frascati - 22 ottobre SB 45