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21/11/2009 Convegno Protonterapia E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici 1 21 Novembre 2009 / Ruvo di Puglia Convegno Protonterapia: il progetto ERHA.

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1 21/11/2009 Convegno Protonterapia E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici 1 21 Novembre 2009 / Ruvo di Puglia Convegno Protonterapia: il progetto ERHA La terapia con protoni: aspetti tecnologici, fisici e dosimetrici – parte 2 Evaristo Cisbani Dipartimento Tecnologie e Salute Istituto Superiore di Sanità (… uno sguardo allo scanning dinamico e agli aspetti correlati )

2 21/11/2009 Convegno Protonterapia E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici 2 Scanning Dinamico (3+1)D Un elemento fortemente caratterizzante un sistema di protonterapia Attualizza al meglio le potenzialità del fascio di protoni Massimo beneficio del fascio di protoni con controllo ottimale dei parametri del fascio su ciascun impulso: –Energia (profondità) –Posizione Laterale (direzione) –Intensità (dose istantanea rilasciata) G. Coutrakon et al PAC1999 pg.11  Terapia altamente conformazionale

3 21/11/2009 Convegno Protonterapia E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici 3 Scanning Dinamico / Benefici Maggiore flessibilità del piano di trattamento Minore produzione di particelle di fondo (meno neutroni secondari) Indicato per trattamenti pediatrici Dose tipica nei tessuti sani ~10 volte inferiore Minore attivazione dei componenti del fascio Si evita la realizzazione di assorbitori ad hoc per il paziente rispetto a sistemi passivi

4 21/11/2009 Convegno Protonterapia E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici 4 Scanning Dinamico / Complicazioni Maggiore flessibilità, ma anche maggiore rischio di coinvolgere regioni sane Maggiore attenzione al motion management (necessità di repainting), immobilizzazione, beam gating, motion tracking Richiesta dettagliata conoscenza delle disomogeneità del volume coinvolto (in generale per protoni) Differente approccio al TPS (più gradi di libertà) Beam delivery più sofisticato Monitoraggio fascio real-time con feedback Protocollo di calibrazione e controllo di qualità più complesso

5 21/11/2009 Convegno Protonterapia E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici 5 Scanning Dinamico / Impatto su + sistema di delivery, ….

6 21/11/2009 Convegno Protonterapia E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici 6 Competenze ISS / Dip. Tesa Biofisica delle radiazioni ionizzanti Piani di trattamento Dosimetria Diagnostica di fascio Imaging ISS realtà multidisciplinare che opera per la tutela della salute pubblica Competenze impiegate/approfondite nell’ambito del progetto TOP (Terapia Oncologica con Protoni) avviato dall’Istituto nel 1992 in collaborazione con: Fondazione TERA / ENEA / IRE Rapporto ISTISAN 2004/40 ( )http://www.iss.it/publ

7 21/11/2009 Convegno Protonterapia E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici 7 Radiobiologia con ISS Studi collegati alla sterilizzazione del tumore Studi collegati agli effetti sui tessuti sani irradiati Studi collegati a meccanismi di tipo bystander Valutazione dell’RBE per i diversi end point biologici Induzione e riparazione del danno al DNA Induzione di micronuclei Effetto letale in cellule direttamente irradiate e nella loro progenie 1Gy/20 minCN  Individuare possibili marker molecolari di danno genotossico predittivi del danno cellulare  Valutare correlazioni tra danno cellulare, danno cromosomico e danno molecolare Sviluppo di test predittivi della risposta al trattamento radioterapeutico Migliorare i piani di trattamento Studi pioneristici su effetti biologici dei protoni dagli anni 80

8 21/11/2009 Convegno Protonterapia E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici 8 Radiobiologia con protoni / Requisiti Fascio di protoni per esperimenti in vitro e in vivo: La divergenza del fascio estratto in aria deve essere minore di 35 mrad 1) Fascio estratto in aria praticamente monoenergetico (FWHM / E m < 0.03) 2) Uniformità del fascio su un’area circolare con diametro compreso fra 60 mm e 30 mm tale che le variazioni di dose siano minori di ± 10%. 3) Fascio orizzontale per un certo numero di energie 4) Intensità di corrente del fascio estratto variabile nell’intervallo 0.1 pA ai 1 nA. Count E(keV) E m = 6940 keV  = 48 keV y(mm) z(mm) Distribuzione di energia del fascio estratto in aria Vista trasversale del fascio estratto in aria Simulazione del trasporto del fascio lungo la linea utilizzando il codice di calcolo TRACE e il codice Montecarlo SRIM Rateo di dose (0.1 – 20) Gy/min 5) Possibilità di irraggiamento con fascio verticale (dal basso verso l’alto) delle colture cellulari

9 21/11/2009 Convegno Protonterapia E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici 9 Piani di ISS Simulazioni Monte Carlo per verifiche dosimetriche, benchmark di sistemi commerciali per TPS, collaborazione allo sviluppo di un TPS dedicato Software framework per simulazione (interfaccia web, DICOM, computing) Facility in ISS:  Cluster di calcolo per applicazioni distribuite e parallele  Esperienza nello sviluppo di codice Monte Carlo GEANT4 e di tecniche di ottimizzazione in radioterapia  Sistemi per calcolo intensivo su GPU Necessità di diffusione del calcolo complesso in ambito ospedaliero

10 21/11/2009 Convegno Protonterapia E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici 10 ISS Camere a ionizzazione a piani paralleli (sistema più diffuso per dosimetria di riferimento) Sistema dosimetrico alanina/EPR Diodo al silicio Diamante naturale e sintetico Dosimetria a termoluminescenza Film Gafcromici Sviluppo e caratterizzazione di sistemi per dosimetria assoluta e relativa di fasci di protoni: Calorimetro ad acqua (coll. ENEA) Sistema di elezione per la misura di dose assoluta (può rappresentare un campione primario) non di facile operazione e configurazione; si ricorre pertanto a sistemi secondari: Richieste: accuratezza <5%, precisione <2%

11 21/11/2009 Convegno Protonterapia E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici 11 Monitor per diagnostica di fascio / Requisiti Real-Time Risposta rapida (tra impulsi) In grado di fornire feedback al sistema di controllo Buona risoluzione spaziale (< millimetro) Ampio range dinamico Buona sensibilità Minimo materiale Modesto ingombro (va posta vicino al paziente)

12 21/11/2009 Convegno Protonterapia E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici 12 Camera a ionizzazione per diagnostica Intende fornire: posizione, direzione e profilo di intensit à del fascio (indirettamente la dose che si sta per rilasciare) Prototipo 1  Pad-like x/y readout con pitch 600  m  Sensibilit à e ampio range dinamico: 1 fC × (elettronica dedicata a portata multipla con multiplex)  Rapida acquisizione e elaborazione del segnale (<1 ms)

13 21/11/2009 Convegno Protonterapia E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici 13 Diagnostica / risultati sul prototipo 0 Elettronica discreta con trans-impedenza Q/V e tecnica multiportata Provvede un range dinamico di almeno 1 ordine di grandezza superiore ad un rateometro (nei tempi tipici dell’impulso del fascio del linac TOP di qualche decina di microsecondi) Carica Iniettata (pC) Risposta (u.a.) Errore Relativo (%) 0.03> 4 ordini di grandezza In corso di realizzazione versione compatta per camera a micropattern Cambio portata Prototipo 0

14 21/11/2009 Convegno Protonterapia E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici 14 Imaging / Validazione del trattamento

15 21/11/2009 Convegno Protonterapia E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici 15 In conclusione (ovvero da dove iniziare)  Tanto più localizzato è il rilascio di dose, tanto più precisi debbono essere gli strumenti per la sua pianificazione, controllo e verifica  Un sistema di protonterapia in grado di competere con le tecniche più avanzate di radioterapia convenzionale deve integrare un sistema dinamico di rilascio del fascio  L’utilizzo ottimale di un tale sistema richiede lo sviluppo e “fine tuning” di un gran numero di componenti fondamentali: TPS, Radiobiologia, Dosimetria, Diagnostica, Sala Trattamento, Imaging …


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