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L’acceleratore lineare TOP- IMPLART per protonterapia Concetta Ronsivalle - ENEA UTAPRAD (Unità Tecnica Applicazioni delle RADiazioni) collaborazione Progetto.

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Presentazione sul tema: "L’acceleratore lineare TOP- IMPLART per protonterapia Concetta Ronsivalle - ENEA UTAPRAD (Unità Tecnica Applicazioni delle RADiazioni) collaborazione Progetto."— Transcript della presentazione:

1 L’acceleratore lineare TOP- IMPLART per protonterapia Concetta Ronsivalle - ENEA UTAPRAD (Unità Tecnica Applicazioni delle RADiazioni) collaborazione Progetto TOP-IMPLART: XVI CONVEGNO NAZIONALE DELLA SOCIETÀ ITALIANA PER LE RICERCHE SULLE RADIAZIONI (SIRR) Pavia, 7-8 novembre 2014

2 Sommario  Acceleratori per protonterapia  Il Progetto TOP-IMPLART  L’acceleratore di protoni TOP-IMPLART  Layout attuale  Attività sperimentale  Sviluppi  Conclusioni

3 La protonterapia Vantaggi della protonterapia rispetto alla terapia con fotoni: Selettività spaziale Dose più bassa agli organi sani circostanti 7 campi con IMRT2 campi con IMPT IMRT-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).

4 Acceleratori per protonterapia Proton Centers 40 Ion Centers 8 Sincrotroni 11 Ciclotroni 28 Sincrociclotroni 1 PTCOG STATISTIC (www.ptcog.ch): Total facilities in operation 48 Patient statistic (end 2013): Total for all facilities (in and out operation): (only protons)

5 Acceleratori per protonterapia

6 - Occorre puntare alla riduzione dei costi di impianto e trattamento - Macchine meno costose, più efficienti, più compatte - Trattamenti di minore durata PHOTONSPROTONS PRICE2-3.5 MUSD20-35 MUSD FOOTPRINT100 m m 2 COST PER TREATMENT 400 Euro1000 Euro PATIENTS PER YEAR M. Schillo (Varian) Conf. IPAC14

7 Acceleratori per protonterapia Macchine alternative a ciclotroni e sincrotroni:  Sincrociclotroni compatti MEVION S250  FFAG  FULL LINAC (Progetto TOP-IMPLART)  CYCLINAC  Dielectric wall accelerators  Sorgenti laser

8 Il Progetto TOP-IMPLART Obiettivo: Realizzazione di un centro di protonterapia basato su un acceleratore di protoni completamente lineare fino a 230 MeV da istallarsi presso IFO a Roma Condotto da: ENEA (acceleratore,radiobiologia cellulare e animale) ISS (dosimetria,monitoraggio fascio, radiobiologia cellulare) IFO (utente finale,requisiti clinici, treatment planning,schermature)

9 Il Progetto TOP-IMPLART IFO-Roma

10 Il Progetto TOP-IMPLART Finanziata dalla Regione Lazio per 11 M€ la realizzazione del prototipo di acceleratore lineare da 150 MeV da installarsi presso l’IFO dopo essere stato provato presso ENEA- Frascati:  2010: siglato l’accordo tra ENEA, ISS, IFO e Regione Lazio  inizio 2013: start-up del Progetto con un finanziamento di 2.5M€  giugno 2014: erogazione di ulteriori 2M€ Coinvolgimento industrie nazionali (prevalentemente laziali): CECOM, NRT R&D, SIT, TSC

11 Il Progetto TOP-IMPLART Sito di test: CRE ENEA-Frascati Ed. ex SINCRO Prototipo finanziato dalla Regione Lazio

12 Origini del Progetto SCDTL TOP (Terapia Oncologica con Protoni)-IMPLART (Intensity Modulated Proton Linear Accelerator)  1993: Il Laboratorio Acceleratori ENEA partecipa alla collaborazione Adroterapia (Amaldi)  : Invenzione della struttura SCDTL a 3 GHz per protoni di bassa energia (Brevetto ENEA)  1996: Proposta di un acceleratore lineare innovativo da 200 MeV in collaborazione con TERA/CERN RF input Coupling Cavity Accelerating Tank PMQ

13 Origini del Progetto SCDTL Disegno accettato dal Progetto TOP (Terapia Oncologica con Protoni) dell’ISS.Collaborazione ENEA,ISS,IFO 2 Convenzioni ENEA-ISS (2.6 M€) acquisto iniettore,sviluppo preprototipi linac a 3 GHz revisione del Progetto,ricerca fondi. Rinominato il Progetto con aggiunta di IMPLART In parallelo attività ENEA nel campo degli acceleratori medicali per IORT: trasferimento know-how a industria nazionale (Hitesys,poi NRT e SORDINA oggi SIT) divenuta leader mondiale nel settore: (80 macchine in Italia e all’estero).

14 LINAC TOP-IMPLART:sezione bassa energia  Iniettore commerciale ACCSYS-HITACHI (frequenza di operazione 425 MHz), modello PL7: Sorgente duoplasmatron (30 keV)+RFQ (3 MeV) +DTL (7 MeV). Modificato per operare a bassa corrente  LEBT verticale (include un magnete a 90 gradi) dedicata a esperimenti di radiobiologia  LEBT orizzontale (4 quadrupoli elettromagnetici)

15 1.Sorgente con limitatore di corrente (diaframma) Imax=150 uA 2. Intensità variabile tramite una lente elettrostatica prima dell’RFQ che attualmente si sta rendendo pulsata Layout attuale: l’iniettore A) Source B) RFQ C) DTL D) RF supply D A B C lente

16 Layout attuale:linea verticale Linea dedicata a esperimenti di radiobiologia “in vitro” Holder di acciaio (  =13 mm) contiene cellule (spessore 6µm ) su Mylar (spesso 60µm) con il loro terreno di coltura Lamina d’oro da 2 µm Collimatore di alluminio (  =2 mm) Finestra di Kapton 50 µm 69 cm Magnete a 90°

17 Attività sperimentale: radiobiologia Irraggiamento di cellule V79 al variare della dose (0.5-8 Gy) per diverse energie del fascio e “ dose rate ”. Primi test: Energia=5 MeV (LET=7.7 keV/µm) frip=6.25 Hz Dose rate=2 Gy/min Dosimetria con pellicole gafcromiche EBT3

18 Attività sperimentale: radiobiologia POSTER

19 LINAC TOP-IMPLART:sezione media energia (7-35 MeV) 4 moduli SCDTL operanti a 3 GHz alimentati da un klystron da 10 MW di potenza La struttura SCDTL (Side Coupled Drift tube Linac) nasce dalla necessità di compattare strutture di tipo DTL. La protonterapia richiede di accelerare correnti molto basse (no problemi di carica spaziale) il che consente l’uso di alta frequenza RF.

20 realizzato da CECOM (Guidonia) Layout attuale:modulo SCDTL-1 SCDTL-1 Numero di tanks acceleranti 9 Lunghezza1.1 m Raggio del foro di passaggio dei protoni 2 mm Potenza in ingresso 1.3 MW Energia iniziale7 MeV Energia finale11.6 MeV tank PMQ smontabili PMQ interno tank

21 Attività sperimentale: test acceleratore alta frequenza (modulo SCDTL-1) Spot del fascio di protoni all’uscita di SCDTL-1 10 mm Output beam current

22 Misura di energia tramite misura range in Al (curva di trasmissione vs spessore crescente di Alluminio) Attività sperimentale: test acceleratore alta frequenza (modulo SCDTL-1) il 43% del fascio in uscita ha una energia superiore a 11 MeV.Il picco è attorno a MeVa 11.6 Corrente accelerata= 15 µA

23 LINAC TOP-IMPLART:sezione alta energia ( MeV) 4 moduli di tipo CCL (Coupled Cavity Linac) ciascuno alimentato da una singola unità RF (klystron da 10 MW) Per acceleratori di protoni modelli sono stati sviluppati da TERA e INFN-Napoli a 60 e 30 MeV. La società ADAM, spin-off del CERN ha costruito un modulo a 30 MeV Varie strutture CCL sono state costruite in ENEA e impiegate per linac a elettroni.

24 LINAC TOP-IMPLART:sezione alta energia ( MeV) 4 moduli di tipo CCL (Coupled Cavity Linac) ciascuno alimentato da una singola unità RF (klystron da 10 MW) Energia variata in maniera attiva sopra gli 85 MeV spegnendo le s Singole unità RF e variando la potenza nell’ultimo modulo acceso

25 Caratteristiche e peculiarità  Acceleratore pulsato (durata impulso: 4 µsec) naturalmente adatto alla IMPT: XYZ scan e possibilità di variare la corrente da impulso a impulso  Frequenza di ripetizione: (tipica) 100 Hz (max 200 Hz)  Carica 3·10 8 – 10 6 protoni/impulso  Variazione rapida di energia (limitata dalla velocità dei magneti)  Perdite di corrente a bassa energia  Fascio di alte qualità ottiche -> Magneti più compatti

26 Caratteristiche e peculiarità  MODULARITA’: Composto da sottosistemi in sequenza finalizzati ad output sanitari. Costruzione e test secondo flusso dei finanziamenti e rapido raggiungimento del rimborso dal SSN o da Piani Sanitari Assicurativi.  TECNOLOGIA A 3GHz A PARTIRE DA 7 MEV: Compattezza e tecnologia già nota  INIZIATIVA ITALIANA: Collaborazione tra istituti nazionali Brevetti Trasferimento di tecnologie alle imprese interessate (tra cui quelle che realizzano le macchine IORT)

27 Progetto TOP-IMPLART:scala temporale Inizio 2015: 27 MeV Metà 2015: 35 MeV. Verifica da parte della commissione individuata dalla Regione Lazio del raggiungimento della milestone stabilita (energia attorno a 30 MeV) per erogazione terza “tranche” (€ 6.5M) Metà 2016: energia di interesse clinico Metà 2017: 150 MeV.

28 Sviluppi: "single room facility" Le perdite di fascio confinate alla parte di bassa energia suggeriscono la possibilità di realizzare un acceleratore compatto localmente schermato,con una singola uscita

29 Sviluppi:altre iniziative derivate Sono stati avviati 2 programmi di interesse industriale basati sullo schema dell’acceleratore TOP-IMPLART: LIGHT da società ADAM (Ginevra) spinoff del CERN recentemente acquistata da AVO Oncotherapy, (England) ERHA da ITEL (Ruvo di Puglia) che ha siglato recentemente un accordo di collaborazione con l’INFN Entrambe le società hanno stipulato dei contratti con ENEA per lo studio di fattibilità della prima parte del linac (SCDTL) e le simulazioni della dinamica del fascio

30 Conclusioni Primi risultati dell’attività sperimentale relativa alla realizzazione del prototipo dell’acceleratore TOP-IMPLART:  Messa in opera della linea verticale, precise calibrazioni delle pellicole Gafcromiche EBT3 e primi irraggiamenti di campioni biologici  Allineamento,test di accelerazione da struttura SCDTL fino a 12 MeV Il Progetto TOP-IMPLART consentirà lo sviluppo di nuove tecnologie finalizzate  alla effettuazione di IMPT e scanning attivo 3D  all’effettuazione di ricerca radiobiologica e radioclinica  alla riduzione dei costi di impianto e dell’impatto economico e ingegneristico  all’utilizzo di nuove tecnologie sfruttando le realtà già operative nel campo della IORT

31 Layout attuale LINEA RADIOBIOLOGIA 3-7 MeV 11.6 MeV SCDTL-1 iniettore


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