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D. SCANNICCHIO 2013 01/42 LA FISICA IN MEDICINA GLI ACCELERATORI NUCLEARI NELLA TERAPIA DEI TUMORI Domenico Scannicchio Dipartimento di Fisica - Ordinario.

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1 D. SCANNICCHIO /42 LA FISICA IN MEDICINA GLI ACCELERATORI NUCLEARI NELLA TERAPIA DEI TUMORI Domenico Scannicchio Dipartimento di Fisica - Ordinario di Fisica Medica Corso di Laurea in Medicina e Chirurgia Università di Pavia Milano, 20 febbraio 2013 ISTITUTO LOMBARDO ACCADEMIA DI SCIENZE E LETTERE

2 RADIAZIONI RADIAZIONI: - elettromagnetiche - corpuscolari (particelle) 02/42 D. SCANNICCHIO 2012D. SCANNICCHIO 2013

3 SPETTRO ELETTROMAGNETICO 03/42 VISIBILE RAGGI GAMMA RAGGI X U.V.I. R. MICRO ONDE RADIO D. SCANNICCHIO 2013

4 PRODUZIONE DI RAGGI X E GAMMA raggi X produzione artificiale tubi a raggi X reattori nucleari raggi gamma produzione naturale produzione artificiale emissione di raggi da nuclei radioattivi (radionuclidi) acceleratori di particelle 04/42 D. SCANNICCHIO 2013

5 electroni nucleo neutroni protone atomi neutroni protoni adroni MATERIA nucleo singoli fasci per adroterapia ~ 1985 centri medici di adroterapia ~ /42 D. SCANNICCHIO 2013

6 06/42 D. SCANNICCHIO 2013 PARTICELLE nuclei ions electrons muons (from cosmic rays) hadrons : - protons - neutrons - mesons

7 PRODUZIONE DI PARTICELLE particelle cariche produzione naturale produzione artificiale radiazione cosmica acceleratori di particelle emissione da nuclei radioattivi (radionuclidi) neutroni produzione artificiale reattori nucleari D. SCANNICCHIO /42

8 > 1990 D. SCANNICCHIO /42

9 ASSORBIMENTO della RADIAZIONE nella MATERIA interazione con strutture atomiche e molecolari rilascio di energia con rottura di legami produzione di cariche elettriche in moto (ioni) ionizzazione assorbimento: Linear Energy Transfer (LET) 09/42 radiazioni a modesto LET (X, gamma, elettroni) radiazioni a grande LET (protoni, ioni nucleari) perdita progressiva di energia fino allarresto (range R) LET dipende da E, d, Z materia D. SCANNICCHIO 2013

10 ASSORBIMENTO della RADIAZIONE nella MATERIA unità di energia: UNITA PRATICA SU SCALA ATOMICA : elettronVolt (eV) = –19 joule MeV (mega-elettronVolt) = 10 6 eV GeV (giga-elettronVolt) = 10 9 eV TeV (tera-elettronVolt) = eV D. SCANNICCHIO /42 SISTEMA INTERNAZIONALE : joule (J)

11 ASSORBIMENTO della RADIAZIONE nella MATERIA D. SCANNICCHIO /42 DOSE ASSORBITA: D = energia assorbita massa SISTEMA INTERNAZIONALE : gray (Gy) = 1 joule/1 kg gray (Gy) = 100 rad

12 ASSORBIMENTO della RADIAZIONE CORPUSCOLARE 12/42 scala logaritmica protoni mesoni elettroni alfa T T D. SCANNICCHIO 2012D. SCANNICCHIO 2013

13 ASSORBIMENTO della RADIAZIONE CORPUSCOLARE raggi X elettroni RADIOTERAPIA CONVENZIONALE D. SCANNICCHIO /42 protoni ioni carbonio ( 12 C) altri ioni ( 4 He, 14 N, 16 O) neutroni ADROTERAPIA

14 D. SCANNICCHIO /42

15 CONFRONTO dose pelle = 1 profondità di tessuto picco di Bragg protoni 200 MeV (profondità fissata) protoni a diverse energie per coprire profondità raggi X 22 MeV 22 MeV elettroni raggi da 60 Co 200 keV raggi unità 15/42 D. SCANNICCHIO 2013

16 ionizzazione relativa dati sperimentali ASSORBIMENTO di IONI 16/42 D. SCANNICCHIO 2013

17 COLLIMAZIONE 17/42 D. SCANNICCHIO 2013

18 X ray COLLIMAZIONE 18/42 D. SCANNICCHIO 2013

19 CONFRONTO cm protoni 200 MeV cm da da frenamento di elettroni da 25 MeV protoni 200 MeV 19/42 D. SCANNICCHIO 2013

20 20/42

21 ASSORBIMENTO della RADIAZIONE nella MATERIA BIOLOGICA DOSE BIOLOGICA ASSORBITA: D biologica = RBE D fisica D. SCANNICCHIO /42 SISTEMA INTERNAZIONALE : sievert (Sv) = RBE 1 Gy sievert (Sv) = 100 rem = 100 RBE rad

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23 23/42 LET (keV/ m) LINEAR ENERGY TRANSFER (LET) D. SCANNICCHIO 2013

24 24 D. SCANNICCHIO /42

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27 PIANO di TRATTAMENTO D. SCANNICCHIO /42 tipo di cellule neoplastiche posizione del tumore conformazione del tumore prossimità organi vitali definizione direzioni di irraggiamento (campi) parametri del fascio (dimensioni, energie) numero sessioni e dosi

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30 Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica D. SCANNICCHIO /42 studio del progetto iniziato 1992 (CERN e INFN) acceleratore protoni e ioni carbonio (sincrotrone) sistema magnetico tradizionale 3 sale di trattamento fasci orizzontali e verticale (una sala) sala dedicata ad attività di ricerca accurata progettazione edilizia progettazione sistemi di misura della dose progettazione sistemi di sicurezza sperimentazione su animali sistemi diagnostici integrati (TC, RM, PET) costruzione iniziata nel 2004, terminata nel 2008 installazione e test alta tecnologia

31 31/42 D. SCANNICCHIO 2013

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33 33 D. SCANNICCHIO /42 CNAO

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35 D. SCANNICCHIO /42 SALA di TRATTAMENTO

36 D. SCANNICCHIO /42 SALA di TRATTAMENTO

37 TECNICHE di POSIZIONAMENTO D. SCANNICCHIO /42 sistema di immobilizzazione personalizzato piano di carbonio con markers di riferimento markers distribuiti sullarea irraggiata posizionamento sul piano di carbonio nel locale CAP (Computer Aided Positioning) trasporto nella posizione di trattamento aggancio sul lettino robotizzato mobilizzazione del lettino secondo il piano di trattamento controlli accurati posizionamento (RX e IR) esecuzione trattamento: circa secondi/campo controllo continuo della posizione (100 Hz)

38 TECNICHE di POSIZIONAMENTO D. SCANNICCHIO /42 markers distribuiti sullarea irraggiata mobilizzazione del lettino secondo il piano di trattamento controlli accurati posizionamento (RX e IR)

39 TECNICA di IRRAGGIAMENTO scanning beam D. SCANNICCHIO /42

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42 TERAPIE in CORSO D. SCANNICCHIO /42 sperimentazione - iniziata settembre 2011 (solo protoni 1 sala di trattamento) - ottobre 2012 (terapie anche con ioni carbonio) - attualmente 67 pazienti (di cui 14 in corso di terapia) - 7 pazienti anche ioni carbonio sessioni per paziente - marzo 2013: 2 a sala di trattamento attiva - inverno 2013: 3 a sala di trattamento attiva - entro 2014 termine sperimentazione (250 pazienti - circa 12 protocolli)

43 SVILUPPI FUTURI D. SCANNICCHIO 2013 A/42 diagnostica avanzata sviluppo tecnologie avanzate studi clinici informatizzazione diffusa e avanzata sviluppo piani di trattammento e analisi automatica delle immagini FUSIONE IMMAGINI 3D, PET ON-LINE TESTATA ISOCENTRICA, TRATTAMENTO TUMORI IN MOTO CASUALE IMPIEGO DELLA RETE DI CALCOLO GRID


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