Acceleratore lineare per protonterapia

Acceleratore Lineare per
Adroterapia
LUIGI PICARDI – UTAPRAD ENEA Frascati
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Sommario
• Brevi cenni storici
• Dai piccoli acceleratori di elettroni per IORT agli
acceleratori per protoni in ENEA
• Adroterapia e protonterapia
• I progetti SPARKLE, ISPAN e TOP IMPLART
• Conclusioni
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Origini
Il laboratorio acceleratori
dell’ENEA a Frascati che oggi è
incluso nella Unità Tecnica
Applicazione delle Radiazioni)
(UTAPRAD) è una derivazione
del gruppo macchina
dell’elettrosincrotrone di
Frascati degli anni ’60.-’70
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Acceleratori di Elettroni
Dopo la chiusura del sincrotrone, nel 1974, le competenze di fisica degli
acceleratori di particelle presenti nel CNEN (ora ENEA) furono messe a
disposizione della innovazione in campo applicativo e, in particolare,
medicale.
Lavorando sinergicamente con altri laboratori interni come quelli in
Casaccia di Radiobiologia e di Metrologia delle radiazioni e con realtà
esterne come ISS, INFN, IRCSS come l’IFO, ed Università,
tali competenze furono trasferite
alla Società HITESYS (ex Irvin
Systems) di Aprilia. Ciò consentì
la realizzazione del sistema per
Radioterapia Intraoperatoria
(IORT) NOVAC7 (prima macchina
installata in un ospedale nel
1997)
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La Radioterapia IntraOperatoria (IORT)
La IORT è una modalità di trattamento radioterapico che consiste
nella somministrazione di una dose elevata (circa 1/3 di quella di
una RT tradizionale) di radiazione al residuo tumorale o al letto
tumorale esposto chirurgicamente tramite un fascio collimato di
elettroni.
Peculiarità: possibilità dell’impiego diretto in sala operatoria
120
E0=3.7 MeV, Ep0=4.48 MeV
100
E0=5.0 MeV, Ep0=5.32 MeV
Relative Dose (%)
80
E0=6.0 MeV, Ep0=6.48 MeV
60
E0=7.0 MeV, Ep0=7.79 MeV
40
20
0
0
10
20
30
40
Depth in water phantom(mm)
50
60
70
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Brevetti IORT
Negli anni ‘80 fu studiata in ENEA una struttura
acceleratrice autofocheggiante basata sulla
forma e lunghezza delle celle acceleranti,
mediante la quale è stato possibile evitare il
pesante solenoide di focheggiamento allora
presente nei linac per RT:
Questa invenzione fu inclusa nel brevetto
principale della realizzazione della IORT
(LT94A000012 del 19/9/1994), lasciato
totalmente alla Hitesys come asset della ditta.
Il sistema IORT fu corredato di altri due brevetti ENEA,
negli anni successivi
“Cavità a Ridotta Corrente Oscura ed Alta Efficienza per
Testa Radiante, e Testa Radiante a Corrente Variabile
per Apparecchiatura di Radioterapia Intraoperatoria”
(RM2002A000283 -20/5/2002)
“Dispositivo per il controllo dosimetrico di un fascio di
particelle ionizzanti utilizzabile in particolare per Terapie
oncologiche” (BO2003A000140 - 14/03/2003)
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MACCHINE IORT
Accanto alla produzione industriale del
Novac 7 da parte della Hitesys, cui
attualmente è subentrata la ditta NRT,
l’ENEA, tramite il PROGETTO IORT,
finanziato nel 2000 dal MIUR-UE, ha
realizzato il sistema IORT-1,
prototipo della macchina LIAC
attualmente prodotta dalla ditta
SORDINA
Piu’ di 40 macchine, tra NOVAC7
e LIAC, sono operative in
strutture ospedaliere.
Tali sistemi si stanno diffondendo
anche sul mercato estero sia europeo
che transoceanico. L’ENEA promuove
ulteriori sviluppi.
NOVAC7
LIAC
(NRT)
7 (Sordina)
Stato attuale Macchine IORT
www.newrt.it
Attualmente circa
22 Macchine installate
e funzionanti in
Italia
Grecia
Germania
USA
www.sordina.com
Attualmente circa
23 Macchine installate
e funzionanti in
Italia
Spagna
Germania
Svizzera
Sudamerica
•Unico altro competitor in campo interazione: Mobetron della società INTRAOP
•Mercato in espansione – ottimi risultati riferiti annualmente alla Conf Internaz ISIORT
•Target principali: TUMORI DELLA MAMMELLA, TUMORI DEL RETTO LOCALMENTE
AVANZATI, TUMORI DELLO STOMACO ed altri
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Ulteriori sviluppi in campo IORT
Cavità in Banda S
www.adam-geneva.com
La società ADAM che,
collabora anche con la NRT,
ha commissionato ad ENEA
uno studio per lo sviluppo di
sistemi compatti in banda C
(5712 MHz) finalizzati a
diverse applicazioni tra cui la
IORT. La banda C riduce pesi
e dimensioni da metà a 1/3.
Cavità in
Banda C
LINAC IORT12 in banda C
realizzazione presso la TSC di
Fiumincino
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Adroterapia e Protonterapia
Picco di Bragg
•Adroterapia = radioterapia con protoni e
ioni
•Protonterapia = radioterapia con protoni
Assenza di
irradiazione
oltre una
certa
profondità
•Vantaggio rispetto alle altre tecniche:
Selettività spaziale che implica una
terapia conformazionale
•Maggior Risparmio degli organi sani
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Protonterapia a modulazione di intensità: IMPT
Mutuando le tecniche radioterapiche più avanzate (IMRT) con
fasci di fotoni, si possono ottenere con i protoni
concentrazioni di dose ancora più conformi (IMPT).
7 campi con IMRT
2 campi con IMPT
Confronto
tra IMRT e
IMPT
DIFFERENZA TRA
IMRT E IMPT
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Diffusione della PT nel mondo: Centri operativi al 2010
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Diffusione della PT nel mondo: Centri operativi tra 2 anni
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Diffusione della PT in Italia
Rapporto dell’AIRO del 2004: i tumori trattabili con PT sono
16000/anno
Categoria A (tumori per cui la PT è elettiva):melanoma uveale e i tumori
della base cranica e della colonna vertebrale (cordomi, sarcomi e meningiomi)
Categoria B (tumori per cui la PT è vantaggiosa): prostata, polmone,
fegato, esofago e distretto cervico-cefalico
… si può stimare come necessario un numero di 4 o 5 centri di
protonterapia distribuiti per bacini di utenza di circa dieci milioni di
abitanti nelle diverse aree geografiche del nord, centro e sud dell’
Italia (AIRO – 2004)
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Ostacoli alla diffusione della PT
Gigantismo
Costi di impianto
Costi di gestione
Ritorno economico tardivo
Radioterapia
Convenzionale
Area di sviluppo
di un impianto
moderno di
protonterapia
Adroterapia - CNAO
Riduzione di
Costi di impianto
Costi di gestione
Ritorno
economico
rapido
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Attività ENEA su acceleratori lineari per
protonterapia
1993: L’ENEA partecipa alla Collaborazione Adroterapia
(Amaldi 1991)
•
occupandosi dello sviluppo di acceleratori compatti e
della dosimetria
•
individuando nello sviluppo degli acceleratori lineari una
possibile alternativa alle macchine circolari
•
Lavorando in Collaborazione con CERN e INFN
•
Brevettando (RM95A000564 – 9/8/1995) un acceleratore
lineare compatto da 200 MeV comprendente una sezione
di tipo SCDTL a 3GHz per protoni
Cavità
accoppian
te
PM
Q
1998-2005 La proposta di un acceleratore lineare
innovativo da 200 MeV viene accettata dal Progetto TOP
(Terapia Oncologica con Protoni) dell’ Istituto
Superiore di Sanità
RF
input
Tank
accelerante
Struttura
SCDTL
2 Convenzioni ENEA-ISS (2.6 M€)
Realizzazioni: iniettore da 7 MeV e prototipi moduli SCDTL
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Il progetto TOP IMPLART (dal 2005)
IMPLART= Intensity Modulated Proton Linear Accelerator for
RadioTherapy
Modularità: Composto da sottosistemi in
sequenza finalizzati ad output
sanitari. Costruzione secondo flusso
dei finanziamenti e rapido
raggiungimento del rimborso dal SSN
o da Piani Sanitari Assicurativi.
Caratteristiche tecniche:
Frequenza RF di 3 GHz -> compattezza,
tecnologia nota
Acceleratore pulsato, naturalmente adatto
alla IMPT (Intensity Modulated
ProtonTherapy)-> XYZ-SCAN
Fascio di alte qualità ottiche -> Magneti più
compatti
Iniziativa italiana: Dotato di progetto e
di brevetti. La realizzazione del
prototipo da parte ENEA , in
collaborazione con le imprese
interessate (tra cui quelle che
realizzano le macchine IORT), può
consentire nel futuro la realizzazione
di un marchio italiano, oggi assente a
livello di mercato internazionale, nel
settore degli acceleratori medicali
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Interesse industriale: Il progetto SPARKLE



Progetto soc. SPARKLE s.r.l – Casarano (Le) – 2008-2009
Ciclotrone commerciale IBA Cyclone18/9 per produzione di
radioisotopi tradizionali e sperimentali
Progettazione e realizzazione di un booster lineare (1 sezione
SCDTL) per un ciclotrone commerciale da 18 MeV fino a 24
MeV per facility sperimentale trattamento animali
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Interesse industriale: Il progetto ISPAN
• Progetto ISPAN di NRT(Aprilia) a Frascati (2009)
• La ricerca proposta dalla soc. NRT (Aprilia) in ATI con CECOM
(Guidonia) è mirata alla realizzazione di una facility di
Irraggiamento Sperimentale con Protoni per modelli cellulari
ed ANimali (ISPAN) presso il CR di Frascati (edificio
Sincrotrone) e cioè di una facility di radiobiologia basata su
acceleratore lineare di protoni.
• Il programma ISPAN (da circa 1.5 Meuro) approvato dalla
FILAS per il triennio 2009-2011 prevede la partecipazione
anche di ENEA e ISS.
• Le aziende NRT e CECOM intravedono l’opportunità della
realizzazione delle strutture acceleranti per protonterapia
nell’ipotesi di una realizzazione completa del progetto TOP
IMPLART.
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Evoluzione temporale del progetto ISPAN
20
Evoluzione temporale del progetto ISPAN
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Evoluzione temporale del progetto ISPAN
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Evoluzione temporale del progetto ISPAN
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IL PROGETTO TOP- IMPLART
Nel 2008 attivazione Progetto TOPIMPLART (Intensity Modulated
Proton Linear Accelerator for
RadioTherapy) con ISS e IFO
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TOP IMPLART versione finale
Il progetto prevede a regime 3 sale di
trattamento una per i tumori semi-profondi e
due per i tumori profondi. I trattamenti
verranno effettuati senza l’uso del Gantry, ma
con il paziente sistemato su di un dispositivo
sedia/lettino in corso di sviluppo in
collaborazione con un’industria pugliese (ITEL).
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Conclusioni - 1
• L’ENEA ha indirizzato le sue competenze nel campo
degli acceleratori verso il settore delle macchine
medicali
• Tramite il trasferimento del Know-how all’industria
L’ENEA ha promosso la diffusione della tecnica IORT
e la espansione di due industrie italiane leader
internazionali nel campo
• Una strada analoga si sta percorrendo nel più
complesso campo della protonterapia verificando
che c’è una risposta adeguata da parte del mondo
industriale il quale intravede buone prospettive di
mercato.
Conclusioni-2
Quello che stiamo verificando con una certa
soddisfazione in realtà è infatti una discreta
capacità di fare sistema tra
• Ricerca pubblica: ENEA/ISS/IFO
• Aziende coinvolte (NRT, ecc)
• Istituzioni: Regione/FILAS/Distretto
Tecnologico delle Bioscienze
L’analisi del progetto di sperimentazione e la sua
approvazione vengono poi seguite da un
momento di collaborazione delle tre realtà per
l'avvio e il proseguimento del progetto stesso.
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