Sviluppo acceleratori medicali all’ENEA LUIGI PICARDI – C. RONSIVALLE UTAPRAD ENEA Frascati

Sommario Brevi cenni storici Dai piccoli acceleratori di elettroni per IORT agli acceleratori per protoni in ENEA Adroterapia e protonterapia I progetti SPARKLE, ISPAN e TOP IMPLART Conclusioni

Origini Il laboratorio acceleratori dell’ENEA a Frascati che oggi è incluso nella Unità Tecnica Applicazione delle Radiazioni) (UTAPRAD) è una derivazione del gruppo macchina dell’elettrosincrotrone di Frascati degli anni ’60.-’70

Acceleratori di Elettroni Dopo la chiusura del sincrotrone, nel 1974, le competenze di fisica degli acceleratori di particelle presenti nel CNEN (ora ENEA) furono messe a disposizione della innovazione in campo applicativo e, in particolare, medicale. Lavorando sinergicamente con altri laboratori interni come quelli in Casaccia di Radiobiologia e di Metrologia delle radiazioni e con realtà esterne come ISS, INFN, IRCSS come l’IFO, ed Università, tali competenze furono trasferite alla Società HITESYS (ex Irvin Systems) di Aprilia. Ciò 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 (circa 1/3 di quella di una RT tradizionale) di radiazione al residuo tumorale o al letto tumorale esposto chirurgicamente tramite un fascio collimato di elettroni. Peculiarità: possibilità dell’impiego diretto in sala operatoria

Brevetti IORT Negli anni ‘80 fu studiata in ENEA una struttura acceleratrice autofocheggiante basata sulla forma e lunghezza delle celle acceleranti, mediante la quale è stato possibile evitare il pesante solenoide di focheggiamento allora presente nei linac per RT: Questa invenzione fu inclusa nel brevetto principale della realizzazione della IORT (LT94A000012 del 19/9/1994), lasciato totalmente alla Hitesys come asset della ditta. Il sistema IORT fu corredato di altri due brevetti ENEA, negli anni successivi “Cavità a Ridotta Corrente Oscura ed Alta Efficienza per Testa Radiante, e Testa Radiante a Corrente Variabile per Apparecchiatura di Radioterapia Intraoperatoria” (RM2002A000283 -20/5/2002) “Dispositivo per il controllo dosimetrico di un fascio di particelle ionizzanti utilizzabile in particolare per Terapie oncologiche” (BO2003A000140 - 14/03/2003)

MACCHINE IORT NOVAC7 LIAC (NRT) (Sordina) Accanto alla produzione industriale del Novac 7 da parte della Hitesys, cui attualmente è subentrata la ditta NRT, l’ENEA, tramite il PROGETTO IORT, finanziato nel 2000 dal MIUR-UE, ha realizzato il sistema IORT-1, prototipo della macchina LIAC attualmente prodotta dalla ditta SORDINA Piu’ di 40 macchine, tra NOVAC7 e LIAC, sono operative in strutture ospedaliere. Tali sistemi si stanno diffondendo anche sul mercato estero sia europeo che transoceanico. L’ENEA promuove ulteriori sviluppi. NOVAC7 LIAC (NRT) (Sordina)

Stato attuale Macchine IORT www.sordina.com www.newrt.it Attualmente circa 23 Macchine installate e funzionanti in Italia Spagna Germania Svizzera Sudamerica Attualmente circa 22 Macchine installate e funzionanti in Italia Grecia Germania USA Unico altro competitor in campo interazione: Mobetron della società INTRAOP Mercato in espansione – ottimi risultati riferiti annualmente alla Conf Internaz ISIORT Target principali: TUMORI DELLA MAMMELLA, TUMORI DEL RETTO LOCALMENTE AVANZATI, TUMORI DELLO STOMACO ed altri

Ulteriori sviluppi in campo IORT:Linac Banda C Cavità in Banda S www.adam-geneva.com Cavità in Banda C La società ADAM che, collabora anche con la NRT, ha commissionato ad ENEA uno studio per lo sviluppo di sistemi compatti in banda C (5712 MHz) finalizzati a diverse applicazioni tra cui la IORT. La banda C riduce pesi e dimensioni da metà a 1/3. C-band X-Eye Linac at CERN – ADAM Courtesy C-band IORT Linac at CERN – ADAM Courtesy

Adroterapia e Protonterapia Adroterapia = radioterapia con protoni e ioni Protonterapia = radioterapia con protoni Vantaggio rispetto alle altre tecniche: Selettività spaziale che implica una terapia conformazionale Maggior Risparmio degli organi sani Picco di Bragg Assenza di irradiazione oltre una certa profondità

Protonterapia a modulazione di intensità: IMPT Mutuando le tecniche radioterapiche più avanzate (IMRT) con fasci di fotoni, si possono ottenere con i protoni concentrazioni di dose ancora più conformi (IMPT). 7 campi con IMRT 2 campi con IMPT Confronto tra IMRT e IMPT DIFFERENZA TRA IMRT E IMPT

Diffusione della PT nel mondo: Centri operativi al 2010

Diffusione della PT nel mondo: Centri operativi tra 2 anni

Diffusione della PT in Italia Rapporto dell’AIRO del 2004: i tumori trattabili con PT sono 16000/anno 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 … si può stimare come necessario un numero di 4 o 5 centri di protonterapia distribuiti per bacini di utenza di circa dieci milioni di abitanti nelle diverse aree geografiche del nord, centro e sud dell’ Italia (AIRO – 2004)

Ostacoli alla diffusione della PT Gigantismo Costi di impianto Costi di gestione Ritorno economico tardivo Radioterapia Convenzionale Area di sviluppo di un impianto moderno di protonterapia Riduzione di Costi di impianto Costi di gestione Ritorno economico rapido Adroterapia - CNAO

Attività ENEA su acceleratori lineari per protonterapia 1993: L’ENEA partecipa alla Collaborazione Adroterapia (Amaldi 1991) occupandosi dello sviluppo di acceleratori compatti e della dosimetria individuando nello sviluppo degli acceleratori lineari una possibile alternativa alle macchine circolari Lavorando in Collaborazione con CERN e INFN Brevettando (RM95A000564 – 9/8/1995) un acceleratore lineare compatto da 200 MeV comprendente una sezione di tipo SCDTL a 3GHz per protoni RF input Cavità accoppiante Tank accelerante PMQ StrutturaSCDTL

Attività ENEA su acceleratori lineari per protonterapia SCDTL PMQ Consiste di corte DTL tanks accoppiate da cavità esterne poste fuori asse. I DTLs sono composti da 4 -7 celle lunfghe . Nello spazio tra le tanks in corrispondenza delle cavità esterne di accoppiamento vengono alloggiati piccoli (3 cm long, 2 cm o.d., 6-7 mm i.d.) PMQ (Permanent Magnet Quadrupole) per il focheggiamento trasverso

Attività ENEA su acceleratori lineari per protonterapia La principale differenza con proposte simili (Hamm et al., in 1991) consisteva nel segmento 7 – 70 MeV per il quale era prevista al posto di un 425 MHz DTL la nuova struttura compatta operante a 2.998 GHz chiamata SCDTL. RF input Coupling Cavity Accelerating Tank PMQ

Attività ENEA su acceleratori lineari per protonterapia La struttura SCDTL,operando ad alta frequenza, consente di compattare le dimensioni dei DTL. Cio’ è reso possibile dalle basse correnti richieste dalla protonterapia (no problemi di carica spaziale),il che consente l’uso dell’alta frequenza.

Il Progetto TOP 2 Convenzioni ENEA-ISS(2.6 M€) Realizzazioni: 1998-2005 La proposta di un acceleratore lineare innovativo da 200 MeV viene accettata dal Progetto TOP (Terapia Oncologica con Protoni) dell’ Istituto Superiore di Sanità 2 Convenzioni ENEA-ISS(2.6 M€) Realizzazioni: iniettore da 7 MeV prototipi moduli SCDTL

Il progetto TOP IMPLART (dal 2005) IMPLART= Intensity Modulated Proton Linear Accelerator for RadioTherapy Modularità: Composto da sottosistemi in sequenza finalizzati ad output sanitari. Costruzione secondo flusso dei finanziamenti e rapido raggiungimento del rimborso dal SSN o da Piani Sanitari Assicurativi. Caratteristiche tecniche: Frequenza RF di 3 GHz -> compattezza, tecnologia nota Acceleratore pulsato, naturalmente adatto alla IMPT (Intensity Modulated ProtonTherapy)-> XYZ-SCAN Fascio di alte qualità ottiche -> Magneti più compatti Iniziativa italiana: Dotato di progetto e di brevetti. La realizzazione del prototipo da parte ENEA , in collaborazione con le imprese interessate (tra cui quelle che realizzano le macchine IORT), può consentire nel futuro la realizzazione di un marchio italiano, oggi assente a livello di mercato internazionale, nel settore degli acceleratori medicali

Interesse industriale: Il progetto SPARKLE Progetto soc. SPARKLE s.r.l – Casarano (Le) – 2008-2009 Ciclotrone commerciale IBA Cyclone18/9 per produzione di radioisotopi tradizionali e sperimentali Progettazione e realizzazione di un booster lineare (1 sezione SCDTL) per un ciclotrone commerciale da 18 MeV fino a 24 MeV per facility sperimentale trattamento animali

Interesse industriale: Il progetto ISPAN Progetto ISPAN di NRT(Aprilia) a Frascati (2009) La ricerca proposta dalla soc. NRT (Aprilia) in ATI con CECOM (Guidonia) è mirata alla realizzazione di una facility di Irraggiamento Sperimentale con Protoni per modelli cellulari ed ANimali (ISPAN) presso il CR di Frascati (edificio Sincrotrone) e cioè di una facility di radiobiologia basata su acceleratore lineare di protoni. Il programma ISPAN (da circa 1.5 Meuro) approvato dalla FILAS per il triennio 2009-2011 prevede la partecipazione anche di ENEA e ISS. Le aziende NRT e CECOM intravedono l’opportunità della realizzazione delle strutture acceleranti per protonterapia nell’ipotesi di una realizzazione completa del progetto TOP IMPLART.

IL PROGETTO TOP- IMPLART Nel 2008 attivazione Progetto TOP- IMPLART (Intensity Modulated Proton Linear Accelerator for RadioTherapy) con ISS e IFO

IL PROGETTO TOP- IMPLART Obiettivo finale: realizzazione di un centro per protonterapia basato su un acceleratore lineare da 230 MeV Istituti coinvolti: ENEA ISS,IFO Industrie coinvolte: NRT,CECOM,ADAM,TSC Finanziamenti: finanziata fase 1 fino a 150 MeV (11 M€ tramite convenzione ENEA- Regione Lazio) Stima costo totale:45 M€ FASE 1 FASE 1 FASE 2 FASE 2

PARAMETRI DI MACCHINA E UTILIZZO 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

FASE 1 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

Esempio di analisi di dinamica del fascio Analysis of beam transmission and losses Analysis of beam Emittance Continuous Beam Energy variation

IMPLART-150 : Status Prototipo finanziato dalla Regione Lazio 15 MW Klystron SCDTL 7-12 MeV Injector 7 MeV ADAM LIGHT 30-41 MeV

Evoluzione temporale

Evoluzione temporale

Evoluzione temporale

Evoluzione temporale

Modulo SCDTL1: 7-11.6 MeV presso CECOM

IMPLART-150

IMPLART-150+ Beam Delivery

IMPLART-230

IMPLART-230 + 3 Beam delivery

TOP IMPLART Layout

Layout finale presso IFO III livello II livello I livello Layout finale presso IFO

TOP IMPLART versione finale Il progetto prevede a regime 3 sale di trattamento una per i tumori semi-profondi e due per i tumori profondi. I trattamenti verranno effettuati senza l’uso del Gantry, ma con il paziente sistemato su di un dispositivo sedia/lettino in corso di sviluppo in collaborazione con un’industria pugliese (ITEL).

ASPETTI Finanziari Finanziamento determinato da Convenzione Operativa ENEA-Regione Lazio (con avallo ISS e IFO) del 6/10/2010 registrata in Regione il 29/11/2010 Attesa invano nel 2011 erogazione della prima rata (2.5 ML) Richiesta di accordo su PI nel 2012 per cessione PI al 51% alla Regione Lazio Accordo firmato a Luglio 2012 tra ENEA, ISS, IFO e Regione Lazio La prima rata (2.5 ML) dovrebbe essere stata erogata il 26/11/2012

ASPETTI innovativi e di interesse industriale Le caratteristiche peculiari di questa macchina: Modularità Tecnologia a 3 GHz a partire da 7 MeV IMPT e scanning attivo 3D Semplificazione del sistema di indirizzamento del fascio al paziente ma soprattutto la possibile diminuzione dei costi di impianto (fino a 5-10 Meuro/sala di trattamento) tutt’oggi stimolano interesse imprenditoriale fa parte di finanziatori (soprattutto stranieri). Si ritiene che nel futuro tutta la RT possa essere effettuata con protoni.

Single Output facility In una situazione di Green field le basse perdite di fascio (35% di trasmissione) e la lbassa energia delle particelle che si perdono consentono di pensare ad un acceleratore schermato localmente con una singola uscita. Lo schermaggio pesante è richiesto solo nella sala di trattamento

Conclusioni L’ENEA ha indirizzato le sue competenze nel campo degli acceleratori verso il settore delle macchine medicali Tramite il trasferimento del Know-how all’industria L’ENEA ha promosso la diffusione della tecnica IORT e la espansione di due industrie italiane leader internazionali nel campo Una strada analoga si sta percorrendo nel più complesso campo della protonterapia verificando che c’è una risposta adeguata da parte del mondo industriale il quale intravede buone prospettive di mercato.