TOP IMPLART, un acceleratore lineare per protonterapia Luigi PICARDI ENEA FSN-TECFIS-APAM Laboratorio Sviluppo di Acceleratori di Particelle e Applicazioni Medicali collaborazione Progetto TOP-IMPLART: Workshop ENEA PER LA SALUTE TECNOLOGIE PER LA DIAGNOSI E LA CURA DEI TUMORI 8 febbraio 2017 ENEA– Roma

Il Progetto TOP-IMPLART Scopo del progetto è la realizzazione di un prototipo di acceleratore lineare di protoni innovativo con un’energia massima di 150 MeV, che sia la base per la realizzazione di un impianto per protonterapia ossia per l’utilizzo di fasci di protoni per trattamenti oncologici. Il programma è portato avanti da ENEA, ISS, IFO e Regione Lazio

The foundations of hadrontherapy charged hadron beam that loses energy in matter 28 cm tumour target 200 MeV protons oppure 4800 MeV carbon ions which control radioresistant tumours Photons Protons X rays protons or carbon ions tail Cobalt linac httt://global.mitsubishielectric.com/bu/particlebeam/index_b.html Da: NPDC19 - Pavia - 8.9.05 - U. Amaldi

Protonterapia e Adroterapia Il numero e la qualità degli impianti di protonterapia sta crescendo rapidamente. Dai 48 impianti in operazione nel 2013 nel mondo si è passati agli attuali 68 (Feb 2017), ed altri 39 sono in costruzione (PTCOG www.ptcog.ch) La gran parte (90%) sono impianti di radioterapia con protoni, solo il 10% sono misti protoni-ioni Carbonio, la cui diffusione è limitata (e lo è anche di più nel trend) dagli altissimi costi di impianto. Particle therapy facilities in operation (last update: February 2017) USA 24 Europa 16 Asia Orientale 23 Medio oriente Russia 3 Africa 1 Sud America TOTAL 67 Particle therapy facilities under construction (update February 2017) USA 11 Europa 10 Asia Orientale 14 Medio oriente 2 Russia Africa Sud America TOTAL 39 Treated Patients, total of all facilities (in and out of operation) (February 2017) He 2054 1957-1992 1% Pions 1100 1974-1994 C-ions 19376 1994-2015 13% Other ions 433 1975-1992 0% Protons 131240 1954-2015 85% Grand Total 154203

Acceleratori per protonterapia I Ciclotroni, compatti, ma molto pesanti, producono un fascio ad energia fissa, la massima (tipicamente 230 MeV), che puo’ essere variata tramite un sistema di assorbitori I sincrotroni sono macchine piu’ complicate, e si estendono su un’area ancora maggiore. Acceleratore Con energia variabile Linee di trasporto fascio L’impianto nella sua totalità, composto di acceleratore con variazione di energia, linee di trasporto fascio e gantry è comunque complesso e costoso Gantry e sala di trattamento

Acceleratori per Protonterapia PERCIO’: - E’ fondamentale ridurre i costi del trattamento e dell’impianto - produrre acceleratori più economici come costo di impianto e come costi di operazione e manutenzione, piu’ efficienti, piu’ compatti - Effettuare un irraggiamento più preciso per avere trattamenti con minor numero di frazioni e durata (ipo-frazionamento)

IMPLART Obiettivo finale: Realizzare un prototipo di impianto per protonterapia basato su un acceleratore completamente lineare ad alte performances e con costi limitati. IMPLART = Intensity Modulated Proton Linear Accelerator for Radio Therapy

Perche’ un Acceleratore Lineare ? 1) E’ un impianto lungo ma leggero e stretto perchè usa una tecnologia ad alta frequenza (3 GHz) e si snoda nella zona che negli altri impianti è destinata alle linee di trasporto fascio 2) E’ un sistema modulare che consente di avere più output ad energie differenti e operare in tempi brevi con upgrades successivi, oppure una semplice single room facility 3) E’ un sistema tecnologicamente simile a quelli della radioterapia convenzionale con elettroni (linac a 3 GHz), consente una facile manutenzione, e consuma una potenza elettrica minore delle altre macchine 4) E’ un sistema versatile nelle performances (possibilità di rapida variazione di dose ed energia per un trattamento rapido e conformazionale) 5) E’ un sistema molto pulito dal punto di vista radioprotezionistico, si perdono poche particelle e non c’è quasi attivazione e si puo’ pensare ad una schermatura ridotta rispetto a quella necessaria alle altre macchine

Come mai ENEA Frascati? Il laboratorio acceleratori di ENEA discende dal gruppo macchina dell’elettrosincrotrone di Frascati (anni ‘50), ed è situato nello stesso edificio Si è formata una pluridecennale competenza nel campo dello sviluppo di acceleratori lineari dedicati alla radioterapia, trasferendo know-how a ditte ora leader mondiali nel campo della radioterapia intraoperatora (IORT) in collaborazione con altri laboratori ENEA in Casaccia (radiobiologia, dosimetria) Ha contribuito allo sviluppo della protonterapia sin dalla sua promozione da parte del prof. Ugo Amaldi negli anni ’90, studiando vari tipologie di macchine acceleratrici e brevettando strutture acceleranti del tutto innnovative SCDTL

Il progetto TOP-IMPLART Team di istituzioni Regione Lazio e Lazio Innova (finanziamento e controllo) ENEA (acceleratore, radiobiologia cellulare e animale, radioprotezione) ISS (Finanziatore progetto TOP, dosimetria, monitoraggio del fascio, radiobiologia) IFO-IRE (requisiti clinici, test pre-clinici, treatment planning, radioprotezione) Il prototipo fino a 150 MeV è stato finanziato dalla Regione Lazio con 11 M€ (IVA e personale TD inclusi). Sara’ realizzato presso il CR ENEA a Frascati e dopo i test (non clinici) trasferito in un ospedale laziale a seguito di upgrade ingegneristico. Anni 1998 -2005 : Progetto TOP (Terapia Oncologica con Protoni gestito da ISS) Ott. 2010: Sottoscrizione Convenzione e accordo ENEA, ISS, IFO e Regione Lazio Nov. 2012: Inizio del primo finanziamento (4.5 ML) Febbraio 2017: Sottoscrizione della Seconda Convenzione (6.5 ML) Massimo possibile coinvolgimento di aziende italiane (soprattutto nel Lazio): CECOM, NRT R&D, SIT, TSC,…

Sviluppo del Linac TOP-IMPLART a Frascati Prototipo finanziato dalla Regione Lazio Sito di sviluppo e test : CRE ENEA-Frascati Ed. ex SINCROTRONE http://www.frascati.enea.it/accelerators/Sito/index.htm

Iniettore e Linea Verticale Acceleratore da 7 MeV - Sorgente a modulazione di intensità - RFQ + DTL (4.5 m) Costruttore: AccSys –Hitachi Acquistato 2001 (progetto TOP) Magnete deflettore per Linea verticale Esperimenti di - Radiobiologia cellulare - PIXE 3-6 MeV lens

LINAC SCDTL L’acceleratore principale è composto di vari segmenti. Le prime tre strutture acceleranti SCDTL che producono un fascio di protoni di 27 MeV. La quarta struttura (35 MeV) è pronta per essere installata.

TECNOLOGIA (principalmente italiana) STRUTTURE ACCELERANTI (totale a finire 20 m) Progettazione ENEA, su brevetto ENEA 1995 Manifattura: CECOM (Guidonia) Brasatura e finitura: TSC (Fiumicino) Termalizzazione: SIT (Aprilia) Controllo automatico di frequenza SIT (Aprilia) PMQ smontabili (focheggiamento), BjA, USA con parte della progettazione ENEA interno tank Componenti RF in guida d’onda MEGA (USA) oppure Progettazione ENEA RealizzazioneTSC (Fiumicino) Generazione RadioFrequenza Klystron THALES (Francia) Modulatore: SCANDINOVA (Svezia) Questi componenti speciali e i generatori di potenza RF garantiranno al sistema IMPLART la rapida variazione di energia necessaria per una protonterapia di altissima qualità. tank

Beam test e applicazioni "in itinere" Essendo una macchina modulare ha il vantaggio che il fascio è sempre attivo, anche ad energie inferiori di quelle cliniche. Negli intervalli tra le fasi di montaggio dei vari moduli acceleranti che determinano un innalzamento di energia vengono effettuati esperimenti di radiobiologia e irraggiamenti di campioni per altri programmi e test per mettere a punto le diagnostiche, la dosimetria, e i sistemi di delivery. Attività eseguite a 18-27 MeV: CAMPIONI BIOLOGICI - Irraggiamenti Radiobiologia animale e cellulare (ENEA-SSPT-TECS) - Esposizione a protoni di materiale biologico per applicazioni spaziali - Irraggiamenti in vivo di vegetali e di animali (ENEA-SSPT-BIOAG-BIOTEC, ENEA-SSPT-TECS-TEB) 10 mm CAMPIONI NON BIOLOGICI E ALTRI IRRAGGIAMENTI - Spettroscopia X indotta da protoni - analisi PIXE e PIXE-differenziale di beni culturali (LABEC-INFN) - Calibrazione di sistemi monitor di dose per radioterapia (IFO-IRE) - Test dosimetri innovativi (ISS, UniRoma2, DETECTOR) - Misure radiazione secondaria indotta da protoni – misure passive ed attive di campi neutronici (ENEA-IRP-DOS) - Sviluppo dosimetri LiF (ENEA-FSN-TECFIS-MNF)

2018: 60-70 MeV (energia minima di interesse clinico: Terapia occhio) Tempistica e rapporti con altre iniziative derivate 2017: 35 MeV. 2018: 60-70 MeV (energia minima di interesse clinico: Terapia occhio) 2019-2020: 150 MeV (Tumori testa-collo e pediatrici) Sono attivi almeno altri 2 programmi di interesse industriale basati sullo schema derivato dall’acceleratore IMPLART: LIGHT da società ADAM (Ginevra) spinoff del CERN acquistata da AVO Oncotherapy, Inghilterra, ed in partnership con THALES ERHA da ITEL (Ruvo di Puglia) che ha siglato anche un accordo di collaborazione con l’INFN Entrambe le società sono molto piu’ indietro nella realizzazione (sorgente o pochi MeV) e con esse esistono rapporti pregressi e possibilità di ulteriori collaborazioni. Sara’ necessario per il futuro identificare un soggetto industriale a cui trasferire il know-how, tramite una valutazione con i partners e con l’unita’ di trasferimento tecnologico ENEA.