Acceleratori per terapia oncologica Attività nel CR ENEA-Frascati Concetta Ronsivalle – UTAPRAD-SOR ENEA Frascati Workshop – “Oncogenesi: tra scienza e clinica medica” ENEA-Frascati,Aula Brunelli 10-11 giugno 2010

Sommario Acceleratori lineari di elettroni per RadioTerapia Intraoperatoria (IORT) Acceleratori lineari di protoni per protonterapia Conclusioni

Acceleratori lineari di elettroni Competenze ENEA nello sviluppo di acceleratori medicali: Competenze teoriche e progettuali: - Modellistica degli acceleratori per elettroni e protoni, dalla sorgente al beam delivery - Progettazione e analisi delle problematiche degli impianti di acceleratori per uso medicale Competenze sperimentali e realizzative: - Impianti di radiofrequenza di alta potenza - Sintonia di strutture acceleranti e misure RF -Impianti da ultra alto vuoto, diagnostiche e sicurezze Anni ’80-’90: azione di trasferimento del know- how all’industria nazionale nel campo della costruzione di piccoli acceleratori lineari di elettroni. Tale competenza trasferita alla Società HITESYS di Aprilia consentì la realizzazione del sistema per Radioterapia Intraoperatoria (IORT) NOVAC7 (prima macchina installata in un ospedale nel 1997)

La Radioterapia IntraOperatoria (IORT) La IORT è una modalità di trattamento radioterapico che consiste nella somministrazione di una dose elevata di radiazione al residuo tumorale o al letto tumorale esposto chirurgicamente ad un fascio collimato di elettroni. Peculiarità: - impiego diretto in sala operatoria - tempi di irradiazione brevissimi (<1 min) - dose unica (~20 Gy) - limitate misure radioprotezionistiche in sala operatoria Vantaggi: - Irradiazione immediata - Manipolabilità della zona da irradiare - Migliore effetto radiobiologico: (Iort 21 Gy 52 Gy frazionata) - Risparmio di tempo: un singolo trattamento IORT sostituisce 5 settimane di radioterapia a fasci esterni - Drastica riduzione dei tempi di attesa

La Radioterapia IntraOperatoria (IORT): Studi-Risultati Applicazioni IORT consigliate (ISIORT Madrid 10-13 giugno 2008): TUMORI DELLA MAMMELLA (Veronesi-Lesti): Donne >50 anni Tumori < 2,5 cm Dose singola applicata al quadrante 21 Gy -Recidive locali a 5 anni: 2 - 2,2% contro i 6 - 8% con rtp esterna TUMORI DEL RETTO LOCALMENTE AVANZATI (Doglietto-Valentini): Come boost, in combinazione con Rtp esterna e chemio Cancro del retto medio basso T3 -Sola chirurgia a 5 anni: 23,2% recidive e 52,2% sopravvivenza -Chemio + IORT a 5 anni: 6,6% recidive e 73,0% sopravvivenza TUMORI DELLO STOMACO (Takahashi - Abe): 211 pazienti -II STADIO: a 5 anni sopravvivenza 84% (IORT) vs 62% (no IORT) -III STADIO: a 5 anni sopravvivenza 62% (IORT) vs 37% (no IORT) -IV STADIO: a 5 anni sopravvivenza 15% (IORT) vs 0% (no IORT)

Ogni diametro ha tre angoli di taglio IL NOVAC7 La testa radiante (cannone elettronico+acceleratore lineare) è montata su di un sistema robotizzato che ne assicura la completa mobilità Testa radiante Guida d’onda flessibile Cono di collimazione in plexiglas Alimentatore a radiofrequenza 40 mm 60 mm 80 mm 100 mm 0 ° 22.5 ° 45 ° Ogni diametro ha tre angoli di taglio SSD = 80 cm

La struttura accelerante del NOVAC7 Energie nominali 3-5-7-9 MeV Corrente di picco 1.5 mA Frequenza di ripetizione 1-30 Hz Durata dell’impulso 4 µsec Frequenza RF 2.998 GHz Tipo di Struttura SW OAC in rame OFHC brasata No. cavità acceleranti 11 Lenti magnetiche nessuna Lunghezza 50 cm Peso 25 Kg

Bassa radiazione di fondo Autofocheggiamento Bassa radiazione di fondo 4mm Computed spot size at linac output Le perdite di fascio si hanno prevalentemente nella prima cavità a bassa energia <E>=127 KeV <E>=407 KeV Scudo assorbitore della radiazione diffusa dal paziente <E>=18 KeV <E>=50 KeV

NOVAC7: caratteristiche dosimetriche - Riproducibilità dell’output a lungo termine - Riproducibilità dell’output a breve termine - Uniformità del campo - Simmetria del campo - Riproducibilità del sistema dosimetrico a breve termine - Linearità del sistema dosimetrico - Coda di Brehmsstrahlung   2%  1%  5%  0.2%

1999-2003: Il Progetto IORT Sistema IORT innovativo con destinazione in un Ospedale del Sud Italia Sviluppo sistemi dosimetrici dedicati Modellizzazione in RV del processo IORT 4 M€ da MIUR-UE Coordinamento ENEA Partners: IFO Consorzio CETMA, Università di Bologna 2 brevetti IORT-1 Macchina commerciale LIAC

Tra i temi di collaborazione: Dal 2007: collaborazione con la NRT, attuale possessore del marchio NOVAC Tra i temi di collaborazione: Tipo di catodo Dispenser Raggio del catodo 0.4 mm Massima tensione anodica 13 KV Corrente 3 mA Distanza catodo-anodo 14 mm Perveanza 0.002 Perv Diametro del fascio iningresso al linac 0.25 mm Filamento Tensione di riscaldamento 5  7 V Potenza massima 3 W Corrente 350 mA Sviluppo cannone elettronico per linac-IORT Ottimizzazione numerica della geometria del cannone: equipotenziali e traiettorie elettroniche

Recenti sviluppi per acceleratori compatti Cavità in Banda S Sviluppo di linacs in banda C (F=5712 MHz) in collaborazione con la società ADAM di Ginevra Cavità in Banda C Applicazione: LINAC IORT da 12 MeV Prototipo di linac in Banda C (realizzato presso TSC, Fiumicino) in misura su banco RF

Attività ENEA su acceleratori lineari per protonterapia 1993: Il Laboratorio Acceleratori dell’ENEA partecipa alla Collaborazione Adroterapia (Amaldi 1991) 1994: Invenzione della struttura SCDTL a 3GHz per protoni di bassa energia (Brevetto ENEA) 1996: Proposta di un acceleratore lineare innovativo da 200 MeV nel GREEN BOOK (eds. Amaldi, Picardi, Grandolfo) 1998-2005 Progetto TOP (ENEA-ISS-IFO) 2 Convenzioni ENEA-ISS (2.6 M€) Realizzazioni: iniettore da 7 MeV e prototipo modulo SCDTL Anni successivi: attivazione Progetto TOP-IMPLART (Intensity Modulated Proton Linear Accelerator for RadioTherapy) RF input Cavità accoppiante Tank accelerante PMQ

Razionale dell’impiego della protonterapia Vantaggio rispetto alle altre tecniche: Selettività spaziale Terapia conformazionale Trattati circa 45000 pazienti Tumori trattabili: Categoria A (tumori per cui la pt è elettiva):melanoma uveale e i tumori della base cranica e della colonna vertebrale (cordomi, sarcomi e meningiomi) Categoria B (tumori per cui la pt è vantaggiosa):prostata, polmone, fegato, esofago e distretto cervico-cefalico

IMRT-IMPT SOLO IMPT 7 campi con IMRT 2 campi con IMPT Confronto tra IMRT e IMPT IMRT-IMPT SOLO IMPT Mutuando le tecniche radioterapiche più avanzate con fasci di fotoni,si possono ottenere con i protoni concentrazioni di dose ancora più conformi.

IL PROGETTO TOP- IMPLART Obiettivo finale: realizzazione di un centro per protonterapia basato su un acceleratore lineare da 230 MeV Istituti coinvolti: ENEA (unità tecniche: APRAD, BIORAD), ISS,IFO Industrie coinvolte: NRT,CECOM,ADAM Finanziamenti: finanziata (11 M€ tramite convenzione ENEA-Regione Lazio) fase 1 fino a 150 MeV FASE 1 FASE 2

Parametri di progetto relativi alla fase 1 La fase 1 prevede la realizzazione di un impianto da 150 MeV, completo delle “facilities” di rilascio di dose per il trattamento dei tumori superficiali e semi-profondi. Parametri di progetto relativi alla fase 1 Valore Unità di misura Profondità max in tessuto 15 g/cm2 Energia dei protoni (max) 150 MeV Variabilità a step 65 -150 Variabilità dinamica 90 -150 Dose 1-10 Gy/min

L’acceleratore IMPLART-150 Iniettore PL7 (ACCSYS) 425 MHz, 7 MeV installato a Frascati Prototipo modulo SCDTL 7-12 MeV

Parametri di macchina e utilizzo Schema di variazione dell’energia Parametri Valore Energie del fascio, Fase 1 Energie del fascio, Fase 2 65 / 92-150 MeV 65 / 92–230 MeV Durata dell’impulso 1-3.5 us Frequenza di ripetizione 30 – 200 Hz Corrente nell’impulso 0.1-50 uA Corrente media 0.12-87.5 nA Dimensione minima / tipica del fascio 3Hx2V/7Hx7V mm Emittanza normalizzata RMS 0.2  mm-mrad Composizione di 392 impulsi ciascuno da spot 7x7 per 8 slices

ASPETTI INNOVATIVI Modularità Tecnologia a 3 GHz a partire da 7 MeV IMPT e scanning attivo 3D Semplificazione del sistema di indirizzamento del fascio al paziente Radioterapia + radiobiologia

Installazione presso il CR Frascati (sito di test) TOP-IMPLART 150 MeV Primi esperimenti di radiobiologia a 7 e a 17.5 MeV (primi 2 moduli SCDTL) nell’ambito del Programma ISPAN

Collocazione finale (presso IFO)

Conclusioni Sono state descritte due attività che hanno nell’ENEA il cuore della competenza di alta tecnologia e che promuovono lo sviluppo della radioterapia oncologica più moderna: 1-Piu’ di 40 macchine tra NOVAC7 e LIAC, i due sistemi IORT nati dalla collaborazione tra l’ENEA e industria nazionale, sono operativi in strutture ospedaliere e si stanno diffondendo anche sul mercato estero. L’ENEA continua a promuovere ulteriori sviluppi. 2- Tramite il Progetto TOP-IMPLART verranno sviluppate 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