Applicazioni della fisica delle particelle alla cura dei tumori. Dott.ssa Simona Giordanengo Istituto Nazionale di Fisica Nucleare

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1 Applicazioni della fisica delle particelle alla cura dei tumori Dott.ssa Simona Giordanengo Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Torino, 5 Febbraio 2014

2 Sommario La fisica in medicina Le differenti radiazioni o particelle utilizzate per la cura dei tumori La terapia con fasci di adroni (Adroterapia) L Adroterapia in Italia: il contributo di Torino Il CNAO di Pavia (Centro ospedaliero in cui si trattano dal 2011 pazienti con protoni e ioni carbonio) Il TPS per ioni (Sviluppo di un sistema avanzato per il calcolo delle caratteristiche della radiazione da somministrare al paziente)

3 La Fisica applicata alla MEDICINA si occupa, in prevalenza, dell'impiego delle radiazioni (onde elettromagnetiche o particelle subatomiche) IONIZZANTI e NON per: DIAGNOSI (diagnostica per immagini) CURA (radioterapia) PROTEZIONE (studio degli effetti, monitoraggi ambientali, ) I diversi tipi di radiazioni ionizzanti: particelle alfa (basso potere di penetrazione nella materia), particelle beta e raggi gamma (alto potere di penetrazione) protoni e ioni (penetrazione dipendente dall energia e rilascio di energia maggiore dove si fermano: picco di Bragg)

4 L importanza della Radioterapia nella cura dei tumori Le probabilità di guarifgione rispetto a 15 anni fa sono aumentate mediamente del 20 % Grazie a: - Maggior capacità di diagnosi precoce possibile con esami dignostici sempre piu sofisticati Evoluzione della chirurgia, dei farmaci e della radioterapia Sopravvivenza a 5 anni Circa il 50 % dei tumori oggi sono curabili Dalla letteratura internazionale, il 14% dei pazienti è guarito con la sola radioterapia Il 12 % si avvale di un approccio multimodale di cui la radioterapia è parte integrante

5 La FISICA attorno al paziente oncologico PROGETTAZIONE E UTILIZZO DI APPARECCHIATURE PER LA DIAGNOSI E LA CREAZIONE DI IMMAGINI DELL ANATOMIA DEL PAZIENTE CALCOLO DELL ENERGIA (N di fotoni o particelle) necessaria per uccidere le cellule tumorali DOVE, COME E QUANTO PROGETTAZIONE E UTLIZZO DEGLI ACCELERATORI PER TERAPIA PROGETTAZIONE E UTILIZZO DI STRUMENTAZIONE E METODI PER LA VERIFICA DEI TRATTAMENTI RADIOBIOLOGIA MISURE E STUDI PER LA COMPRENSIONE DEGLI EFFETTI DELLE RADIAZIONI

6 Le fisica nella Diagnostica per immagini Ecografia Radiografia Risonanza Magnetica Tomografia Computerizzata CT (nota come TAC) Tomografia a emissione di positroni - PET

7 Esempio di Tomografia Computerizzata Avanzata La CT spirale multistrato in oncologia Ca. pancreas: metastasi epatiche Prof. R.Passariello - Universita di Roma La Sapienza

8 Le radiazioni per la DIAGNOSI e per la CURA PER LA DIAGNOSI la radiazione deve attraversare e superare il paziente per raggiungere il rivelatore che ne misura l attenuazione. Fotoni di bassa energia, bassa ionizzazione, bassa dose, che attraversando il corpo si attenuano in modo dipendente dalla densità del tessuto DIAGNOSI con raggi X PER LA TERAPIA la radiazione deve/dovrebbe fermarsi nel tumore Fotoni di alta energia, elevata ionizzazione, elevato danno al DNA delle cellule che interagiscono maggiormente con la materia e si fermano nel corpo umano (rilascio maggiore di dose in superficie) TERAPIA con ioni

9 OBIETTIVI: Radiazioni per la cura (I) Rilasciare una Dose [Gy=Joules/kg] sufficiente a inattivare in modo uniforme tutte le cellule nel tumore Limitare la dose ai tessuti e organi sani Gy

10 Radiazioni per la cura (II) Ionizzanti ( per danneggiare il DNA delle cellule) Con alto potere di penetrazione nei tessuti umani Facili da generare e guidare Facili da misurare e controllare Dose [%] ESEMPI DI RILASCIO DI DOSE IN ACQUA Fotoni Elettroni DIMENSIONE del TUMORE Adroni Depth [mm]

11 Cosa accade nel paziente attraversato da fotoni e da protoni? Protoni Fotoni Assenza di dose indesiderata dopo il tumore Dose indesiderata dopo il tumore 11

12 Differenza nel rilascio di dose Fotoni Protoni raggi X protoni Confronto in caso di singola direzione di irraggiamento sia con fotoni che con protoni

13 La radioterapia convenzionale

14 ESEMPIO DI RADIOTERAPIA (AVANZATA) CON FOTONI generati da un ACCELERATORE LINEARE

15 Dalla fisica medica Tecniche avanzate di Radioterapia con fotoni Il controllo e la cura dei tumori con radiazioni convenzionali (fotoni) è migliorato grazie ai progressi tecnico-scientifici della fisica medica sviluppo di nuove tecniche di distribuzione della dose Intensity Modulated Radiation Therapy (IMRT) Volumetric Modulated Arc Therapy (VMAT) LINAC Dynamic Multi-Leaf Collimator (DMLC) 15

16 Dalla fisica medica Tecniche avanzate di Radioterapia con fotoni Il controllo e la cura dei tumori con radiazioni convenzionali (fotoni) è migliorato grazie ai progressi tecnico-scientifici della fisica medica sviluppo di nuovi acceleratori Molti tipi di acceleratori sono stati sviluppati per terapia dagli inizi del 900 Apparecchio per radioterapia del : primo Premio Nobel per la Fisica a Röntgen per la scoperta dei raggi X 16

17 Perché non usare gli adroni? Particelle non elementari, composte da quark e pesanti rispetto agli elettroni Tumore Neutroni Protoni Ioni carbonio C(+6) Profondità dalla superficie del corpo

18 Il picco di Bragg 18

19 gli adroni nella materia protoni da 200 MeV ioni carbonio da 4700 MeV 25 cm Bersaglio tumorale fascetto di adroni che rallentano nel tessuto Muovendo il fascetto si irradia il bersaglio in modo conforme

20 Ioni e protoni rispetto a fotoni: vantaggi Macroscopici La distribuzione di dose con 3 campi di protoni è confrontabile o migliore alla distribuzione ottenuta con 7 campi di fotoni 7 campi con FOTONI 3 campi con PROTONI

21 Ioni e protoni rispetto a fotoni: vantaggi Microscopici La dose fisica e la dose biologica (o equivalente) L RBE: il coefficiente che quantifica le differenze microscopiche

22 Radiazioni ionizzanti per terapia Effetti e vantaggi microscopici γ (H 2 O) (HO) La ionizzazione INDIRETTA crea Radicali liberi (HO) che danneggiano il DNA 20 nm La ionizzazione DIRETTA genera una doppia rottura dell elica del DNA provocando un danno irreparabile (doppia rottura dell elica del DNA)

23 Riassumendo Fotoni (semplici da usare) Protoni Carbonio (molto complessi) Fotoni Protoni Ioni C Rilascio di dose in superficie Bassa efficacia biologica Miglior conformazione rispetto ai fotoni Miglior conformazione rispetto ai protoni Maggior efficacia biologica (>RBE) (efficaci contro tumori radioresistenti) Complessità tecnologica crescente Forma del Picco dei protoni e degli ioni carbonio 24

24 Il contributo della fisica (e del fisico) al trattamento con protoni e ioni GENERAZIONE CORREZIONE CONTROLLO delle particelle Estrazione Misure di controllo Acceleratore Correzioni finali Paziente Generazione del fascio 25

25 La macchina per adroterapia Magneti, camera a vuoto e strumenti di diagnostica Elementi per modellare, correggere e controllare il fascio prima che raggiunga il paziente Accelerator IBA Cyclotron Proteus 235 MeV ACCELERATORE Beam transport system Dose Delivery system Il fascio per l acceleratore Il fascio per il Paziente Energia Dimensione/Emittanza Forma Corrente Temporizzazione Profondità (range nel tessuto) Distribuzione di dose Distribuzione di dose Rateo di dose Movimento organi/radiobiologia Le 5D X,Y, Profondità, tempo, specie

26 LA FISICA APPLICATA ALLA CURA dei TUMORI: un esempio di eccellenza italiana Progetto CNAO Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica

27 dal SINCROTRONE del CERN LHC a Ginevra Circonferenza : 27 km Accelera Protoni fino a 7 TeV

28 al SINCROTRONE di Pavia Acceleratore di protoni e ioni per la terapia 26 m di diametro Accelera protoni fino a 220 MeV e ioni Carbonio fino 4.8 GeV

29 Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica (CNAO) 1991 : proposta di Ugo Amaldi (CERN) di un centro di Terapia con adroni Unico centro italiano dedicato a: Trattamento di pazienti con ioni carbonio e protoni Ricerca clinica e radiobiologica Settembre 2011: inizio attività clinica sperimentale con protoni Novembre 2012: inizio attività clinica sperimentale con ioni carbonio Gennaio 2014: 23 protocolli clinici approvati dal Ministero della 30 Sanità

30 Sala di trattamento paziente posizionato

31 Tecnica di irraggiamento in uso al CNAO

32 Dal fascio di particelle al tumore Camera a vuoto Pencil Beam Y Z FWHM 2 10 mm X Tumore Variando l energia delle particelle si varia la profondità del picco (asse Z): -ΔE dall acceleratore Variando la corrente nei magneti detti di scansione si muove il fascio in X e Y Dim 1 30 cm in X, Y and Z 33

33 VIDEO SCANNING

34 Altro video interessante << How does Proton Therapy work? >>

35 Sistema di distribuzione e monitoraggio on-line del fascio (realizzato dall INFN e Univ di Torino) Sincrotrone C +6 Synchrotron Magneti per la scansione del fscio Monitor di fascio Bersaglio P ~ 6,2 m ~ 5,5 m Rivelatori di particelle per il controllo in tempo reale del fascio

36 Cosa si può fare con il fascio del CNAO Giuseppe Garibaldi dipinto dal fascio di CNAO su una pellicola radiografica Irraggiamento a spot di una slice del piano di trattamento del paziente

37 LA FISICA APPLICATA ALLA MODELLIZZAZIONE dell EFFETTO delle RADIAZIONI Progetto TPS Treatment Planning System (per ioni) Torino è una delle 8 sezioni dell INFN che partecipano al progetto TPS

38 Che cos è un Treatment Planning System? E un Software necessario per tutti i tipi di radioterapia E l interfaccia (o applicazione) che collega l anatomia del paziente e la prescrizione medica alla macchina che deve somministrere la dose PAZIENTE e ONCOLOGO IMMAGINE DIAGNOSTICA dell anatomia (TAC) + CONTORNI del tumore e degli organi circostanti da evitare (Prescrizione della Dose: dove e quanta) FISICO MEDICO e FISICO di MACCHINA Conversione della DOSE necessaria in particelle ovvero in quantità di energia da generare (setup acceleratore) e modalità di somministrazione (setup del sistema di distribuzione)

39 Anatomia paziente + Prescrizione oncologo Immagine anatomica della CT Contorni del tumore (PTV: Planning Target Volume) (OARs: Organs at Risk)

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41 Il problema matematico la fisica medica si occupa anche di informatica, di modellistica,.

42 L adroterapia nel mondo oggi 37 centri operanti nel mondo 10 in USA (solo protoni) 8 in Giappone (protoni e ioni-c) 3 in Italia (CATANA, CNAO, ATreP sta per partire) Di cui 6 con Ioni Carbonio 3 in Giappone 1 in Germania (HIT-Hidelberg) 1 in Cina 1 in Italia (CNAO-Pavia) pazienti trattati dal nuovi centri in fase di approvazione o commissioning (tra cui ATreP Trento centro IBA per protoni )

43 La terapia con protoni in Italia: CATANA (Catania) CNAO (Pavia) ATreP (Trento)

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45 Agenzia Provinciale per la Protonterapia Azienda Provinciale per i Servizi Sanitari Trento, Italy In fase di test di accettazione per l inizio dell attività clinica

46 Centro interamente acquistato dalla compagnia belga Ion Beam Application (IBA) per trattamenti con Protoni e con la tecnica Pencil Beam Scanning

47 Problemi aperti e Prospettive future in Adroterapia Ottimizzazione e sviluppi su: - Acceleratori + Dose Delivery Trattamento di organi in movimento Diagnostica e Allineamento fascio Radiografia con protoni Gantry per ioni Migliorare: -> Posizionamento -> Allineamento -> Tempo tra due frazioni -> Tempo di fascio

48 Tendenza dell adroterapia nel mondo Protoni Obiettivo confermare i vantaggi rispetto ai fotoni (IMRT, Tomoterapia) trattare tumori in movimento, studiare l ipofrazionamento Ioni Carbonio Maggior statistica, esperienza, risultati clinici e radiobiologici attesi e necessari Ipofrazionamento? Gantry? Acceleratori compatti per adroterapia? Altri ioni

49 Inoltre la fisica si occupa dello sviluppo di Strumenti e tecniche per la VERIFICA della dose erogata dello studio degli EFFETTI nocivi delle radiazioni (ionizzanti, non-ionizzanti) dello sviluppo di strumenti e metodi per la PROTEZIONE dalle radiazioni

50 Conclusioni

51 La fisica in medicina Sviluppo di nuove soluzioni (innovazione) Strumenti e tecniche per la diagnosi di malattie Strumenti e tecniche per la cura di malattie Studio degli effetti nocivi delle radiazioni (ionizzanti, non-ionizzanti) Strumenti e metodi per la protezione dalle radiazioni NUOVE FRONTIERE DALL UTILIZZO DEGLI ADRONI

52 C è tanta fisica anche in medicina vieni ad approfondirla! Grazie per l attenzione