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

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) 21/11/2009 Convegno Protonterapia E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici G. Coutrakon et al PAC1999 pg.11 Terapia altamente conformazionale

Scanning Dinamico / Benefici rispetto a sistemi passivi 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 21/11/2009 Convegno Protonterapia E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici

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 21/11/2009 Convegno Protonterapia E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici

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

Competenze Specifiche @ ISS / Dip. Tesa 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 ) 21/11/2009 Convegno Protonterapia Biofisica delle radiazioni ionizzanti Piani di trattamento Dosimetria Diagnostica di fascio Imaging E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici

Radiobiologia con protoni @ 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 Migliorare i piani di trattamento 21/11/2009 Convegno Protonterapia 1Gy/20 min CN Sviluppo di test predittivi della risposta al trattamento radioterapeutico Induzione e riparazione del danno al DNA Induzione di micronuclei Effetto letale in cellule direttamente irradiate e nella loro progenie E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici Individuare possibili marker molecolari di danno genotossico predittivi del danno cellulare Valutare correlazioni tra danno cellulare, danno cromosomico e danno molecolare Studi pioneristici su effetti biologici dei protoni dagli anni 80

Radiobiologia con protoni / Requisiti Count E(keV) Em = 6940 keV 100 200 300 6800 6900 7000 7100 s = 48 keV -15 15 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 Fascio di protoni per esperimenti in vitro e in vivo: 1) Fascio estratto in aria praticamente monoenergetico 21/11/2009 Convegno Protonterapia (FWHM / Em < 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 E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici La divergenza del fascio estratto in aria deve essere minore di 35 mrad 4) Intensità di corrente del fascio estratto variabile nell’intervallo 0.1 pA ai 1 nA. Rateo di dose (0.1 – 20) Gy/min 5) Possibilità di irraggiamento con fascio verticale (dal basso verso l’alto) delle colture cellulari

Piani di Trattamento @ 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) 21/11/2009 Convegno Protonterapia 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 E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici Necessità di diffusione del calcolo complesso in ambito ospedaliero

E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici Dosimetria @ ISS Sviluppo e caratterizzazione di sistemi per dosimetria assoluta e relativa di fasci di protoni: 21/11/2009 Convegno Protonterapia 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: 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 E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici Richieste: accuratezza <5%, precisione <2%

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) 21/11/2009 Convegno Protonterapia E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici

E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici Camera a ionizzazione per diagnostica Intende fornire: posizione, direzione e profilo di intensità del fascio (indirettamente la dose che si sta per rilasciare) 21/11/2009 Convegno Protonterapia Prototipo 1 E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici Pad-like x/y readout con pitch 600 mm Sensibilità e ampio range dinamico: 1 fC × 104-105 (elettronica dedicata a portata multipla con multiplex) Rapida acquisizione e elaborazione del segnale (<1 ms)

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) 21/11/2009 Convegno Protonterapia > 4 ordini di grandezza 0.03 E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici Carica Iniettata (pC) Prototipo 0 Cambio portata In corso di realizzazione versione compatta per camera a micropattern Risposta (u.a.) Errore Relativo (%)

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

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 … 21/11/2009 Convegno Protonterapia E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici