Testata rotante e Sistema di distribuzione della Dose

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1 5-1 5 Testata rotante e Sistema di distribuzione della Dose 5.1 Introduzione Una testata rotante (gantry) è una grossa struttura meccanica che, muovendo la parte terminale della linea di trasporto, permette di irraggiare il paziente da differenti direzioni, così come viene abitualmente fatto nella radioterapia convenzionale (con raggi gamma ed elettroni). In questo modo la distribuzione conformazionale della dose al volume tumorale può essere ottimizzata, in particolare per forme tumorali complesse, e conseguentemente il rapporto tra la dose ceduta al tumore e quella ceduta ai tessuti sani circostanti può essere sensibilmente incrementato. Rispetto alle testate rotanti in uso sulle macchine ad elettroni, quelle per protoni sono ovviamente sensibilmente più complesse, grandi e costose, soprattutto per due motivi. Innanzi tutto la rigidità magnetica dei protoni alle energie d uso per la protonterapia è di circa 1.8 T- m, che vuol dire che per ottenere un raggio di curvatura di 1 m, già estremamente grande rispetto ai pochi cm usati per gli elettroni, bisogna lavorare con campi magnetici molto elevati, 1.8 T, cioè praticamente in saturazione. Pertanto i magneti terminali delle testate (usualmente progettati con raggi di curvatura di circa m) sono grandi, pesanti e costosi. Il secondo motivo riguarda la distanza che si deve frapporre tra l uscita del fascio dalla testata e la posizione del paziente. Nel caso di allargamento passivo, cioè con scatteratore, che è il sistema più diffuso sinora, questa distanza deve essere dell ordine di 3 m per evitare un esagerato irraggiamento della superficie del paziente. Nella parte terminale della testata rotante viene posto il nozzle, un apparato che contiene i sistemi di allargamento passivo del fascio, le camere a ionizzazione e i collimatori. Lo stesso nozzle viene usato davanti al paziente nel fascio a direzione fissa orizzontale. Il paziente poi è sistemato su di un lettino, simile a quello usato nella radioterapia convenzionale, che talora consente una movimentazione sui tre assi ortogonali ed anche una rotazione di ± 185 attorno all asse verticale. Certamente il posizionamento del paziente deve essere effettuato in modo alquanto accurato per potere sfruttare appieno la precisione balistica dei protoni. La corretta posizione deve essere riproducibile con alta precisione sia per il corretto studio del piano di trattamento sia perché il trattamento è frazionato. Non è stato ancora portato avanti uno studio approfondito per un progetto preliminare della testata rotante con i suoi accessori adatta per il TOP Linac perché è ancora prematuro. Il TOP Linac è una macchina prototipale e modulare per cui si ritiene di avere ancora parecchio tempo per esaminare le testate rotanti che in questi anni sono state o verranno costruite, prima di scegliere la soluzione più idonea. Inoltre come detto nel primo e nel settimo capitolo se la

2 5-2 scelta del sito di installazione è definitiva, non lo è altrettanto, ad oggi, la dislocazione dell'acceleratore nell'area occupabile. In particolare le incognite maggiori sono proprio sullo spazio da attribuire alla testata rotante, perché se nella situazione attuale questo sembra un po' ristretto, per cui la scelta sarebbe indirizzata verso una testata con la maggiore compattezza possibile, innovativa rispetto alle realizzazioni attuali, si ritiene pero' probabile che nei prossimi due o tre anni l'impianto TOP Linac acquisisca ulteriori spazi che consentirebbero una testata rotante meno costretta e più convenzionale. Questo capitolo è perciò solo una breve rassegna delle testate esistenti o di quelle progettate, con alcune considerazioni riguardo ai criteri di scelta relativi al TOP Linac. 5.2 Breve panoramica dei progetti di testate rotanti Gli schemi possibili per la realizzazione delle testate rotanti possono essere suddivisi in due gruppi: isocentrici ed eccentrici a seconda che il paziente sia situato sull'asse di rotazione della testata o no. In fig sono riportate alcune geometrie possibili o già sperimentate. Gli schemi eccentrici sono di solito più compatti nella dimensione radiale ma impongono la movimentazione del lettino del paziente in opposizione alla testata, mentre per i più ingombranti isocentrici la movimentazione è ridotta al posizionamento. IBA/GA Loma Linda Testata eccentrica Paul Scherrer Inst. Fig Esempi schematici di testate rotanti [Pedroni, 1994] La testata con schema più ovvio è quella riportata in fig 5.4.1a ed è in fase di costruzione

3 5-3 dalle soc. IBA e GA per il Massachussets General Hospital, per il North East Proton Therapy Center (NPTC). E' apparentemente la soluzione più ingombrante, ma anche la più semplice concettualmente, per cui la si può rendere parecchio affidabile. Il nozzle è sistemato dopo l'ultimo magnete di 135 nello spazio di 3 m prima del paziente. Può essere usata con sistema di distribuzione della dose di tipo attivo o passivo. Sarà in uso alla fine del Le testate ad oggi in uso sono quella di Loma Linda e quella del Paul Scherrer Institute (PSI) a Villigen, più recente. La prima è chiamata del tipo "a cavatappi", "corkscrew", per la sua forma. Il fascio viene piegato in piani diversi per ridurre la dimensione longitudinale, mentre la dimensione radiale è di circa 10 m di diametro. A Loma Linda ne sono presenti tre esemplari e sono stati irraggiati decine di pazienti. La testata del PSI è eccentrica di diametro metà circa delle testate isocentriche, ma piuttosto lunga (10 m), e prevede unicamente lo scanning attivo effettuato nella direzione longitudinale da un magnete posto prima dell'ultimo magnete di 90 mentre nella direzione trasversale viene mosso il lettino del paziente durante l'irraggiamento. Come detto, il lettino in più ruota in opposizione alla testata nella fase di preparazione in cui si determina la direzione di incidenza del fascio. Ad oggi sono stati irraggiati pochissimi, 1 o 2 pazienti. 5.3 La testata della IBA possibile scelta per il TOP LINAC A nostro avviso la testata che si adatta maggiormente all'applicazione alla protonterapia è quella della IBA/GA. E' una scelta che potrà essere rivista cambiata quando, tra qualche anno questa testata, entrata in funzione avrà manifestato i suoi pregi e i suoi difetti comparandoli con altri progetti e con altre realizzazioni come quella del PSI. La testata della IBA/GA (fig ) è composta da una struttura rotante e dalla linea di trasporto del fascio. Questa ha un minimo delle dimensioni del fascio subito dopo il rotatore che è seguito da un dipolo a 45, un sistema di cinque quadrupoli e da un dipolo a 135. Vi sono anche alcuni sestupoli e magneti di correzione. La linea comprende anche il sistema di distribuzione e conformazione della dose. Una flangia rotante permette la connessione tra la parte rotante della linea di trasporto e la parte fissa. La particolare geometria, configurazione classica in piano con 180 di bending è la scelta più economica mantenendo l'accesso del paziente da 4p e ogni possibile orientazione del tavolo di trasporto. Il gantry permette di essere utilizzato con il sistema di distribuzione della dose attivo (minimo delle dimensioni del fascio di 10 mm di diametro all'isocentro) o passivo. L'accettanza del sistema è di 18 π mm mrad. Le informazioni sulla posizione ed il profilo del fascio sono ottenute tramite monitor di profilo non distruttivi (camere a ionizzazione multifilo) all'ingresso della testata e lungo la sua linea, simili a quelle utilizzate nella linea di trasporto del fascio.

4 5-4 Fig La testata rotante dell IBA La testata garantisce una sfera di confusione di 1 mm di raggio al variare della rotazione del gantry. La distanza sorgente isocentro è di 3 m. La dimensione radiale è di circa 10 m di diametro. La risoluzione della posizione e la ripetibilità del movimento di rotazione sono inferiori a 0.3. In caso di emergenza il gantry viene bloccato da un sistema di freni di sicurezza in un angolo inferiore a 5. Per limitare la potenza elettrica, i magneti della testata debbono avere delle piccole aperture. Ciò impone un'alta accuratezza nella posizione e nella direzione del fascio che si raggiunge con un adeguato sistema di correzione. Disallineamenti possono manifestarsi a causa di piccole deformazioni della struttura del gantry. Nozzle Lo scopo principale di conformare il volume cui viene ceduta la dose al tumore da irraggiare viene perseguito con le attrezzature sistemate nel nozzle. Per l'allargamento nella dimensione trasversale a quella di propagazione possono essere usati sistemi passivi (scatteratori) o attivi (scanning voxel o raster), mentre il controllo in profondità è invece effettuato per mezzo di modulatori di perspex combinato a piombo oppure variando direttamente l'energia del fascio estratto. Sebbene superiore in via di principio perché più efficiente nell'utilizzo del fascio il metodo attivo è sinora stato pochissimo applicato perché di gran lunga più complesso. L'esperienza clinica è perciò limitata esclusivamente a sistemi passivi. Per la terapia dell'occhio l'unico sistema in uso è quello passivo a causa di trascurabili miglioramenti che un sistema attivo introdurrebbe. Per il BEAM-1 Il TOP linac prevederà perciò un sistema passivo. Il trattamento dei tumori oculari viene effettuato in posizione seduta su di una particolare sedia (fig ) che ha alcuni i gradi di libertà di movimento permettendo traslazioni e la rotazione attorno all asse verticale. Davanti al paziente una successione di scatteratori, compensatori, collimatori e una coppia di monitors distribuiti in una lunghezza di un paio di metri provvederanno a conformare il fascio al tumore oculare.

5 5-5 Fig Tratto terminale e sedia usata presso i laboratori TRIUMPH Per i fasci BEAM-2 e BEAM-3 ad alta energia ci si riserverà la possibilità di scelta. Nel caso di uso di un sistema passivo, non sarà necessario operare la macchina ad un alto duty cycle, ma si potrà lavorare a 200 Hz di frequenza di ripetizione limitando così la potenza media (vedi cap.6). Usare un sistema attivo, invece significherà migliorare l'efficienza di utilizzo del fascio e quindi diminuire la corrente media in uscita dalla macchina. Questa doppia possibilità richiede che tutto l'impianto sia progettato "scanning ready". Il sistema di distribuzione passivo può essere pensato sulla falsariga di quanto costruito all'harvard Cyclotron Laboratory che usa due diffusori, di cui uno è il modulatore per ottenere uguale diffusione del fascio a tutte le energie. Il TOP Linac può variare l'energia del fascio all'acceleratore con continuità e ciò eventualmente consentirà di usare soluzioni alternative prive di modulatore. In ogni caso l'uso di un modulatore rotante com'è nella pratica usuale con un fascio pulsato come quello del TOP linac dovrà essere accuratamente progettato per sincronizzare la rotazione con la frequenza di ripetizione della macchina. Il sistema di distribuzione attivo del TOP Linac dovrà essere di tipo voxel, e cioè dovrà irraggiare volumi elementari nello spazio 3D del tumore. Ciò comporta una variazione da impulso ad impulso di tutti i parametri di irraggiamento quali intensità, energia, e direzione. Un singolo impulso fornirà esattamente la quantità di protoni (o una frazione precisa) necessaria per un voxel, tenendo conto però anche dell'irraggiamento che voxel più superficiali subiscono dall'attraversamento dei fasci necessari ad irraggiare zone più interne. Ciò comporta un treatment planning estremamente sofisticato e preciso. La frequenza di ripetizione di 400 Hz come frequenza massima è dovuta proprio alla necessità di avere un numero di voxel sufficiente per effettuare una doppia passata anche nei casi di tumori di

6 5-6 grandi dimensioni (cap.1). Ripassare su di un voxel significa potere correggere la dose se erroneamente rilasciata durante il primo passaggio. Lo scanning sarà effettuato mediante due magneti sistemati nel nozzle. Le dimensioni massime del campo di irraggiamento sono fissate in 20cm x 20cm. Fig Il nozzle della IBA Il nozzle della IBA prevede sia l'uso di scatteratori per l'allargamento passivo del fascio, sia il facile upgrade verso un sistema attivo. E' una struttura di poco meno di 3 m di lunghezza nella quale trovano posto i modulatori gli scatteratori, i magneti deflettori, un tubo a raggi X, due collimatori, camere a ionizzazione, laser di allineamento e sedi per collimatori e compensatori personalizzati. Per il lettino di trattamento del paziente può essere anche quello usato per il posizionamento dei pazienti in radioterapia convenzionale, considerando però che questo è dotato di meno gradi di libertà e il posizionamento è meno accurato. Tavoli adeguati sono progettati ancora dalla IBA e consentono la movimentazione del paziente in modo accurato lungo i tre assi ortogonali e la rotazione attorno all'asse verticale passante per l'isocentro. Ciò consente anche l'uso di una tecnica di irraggiamento nella quale il paziente si muove come avviene al PSI.