GLI ACCELERATORI NUCLEARI NELLA TERAPIA DEI TUMORI ISTITUTO LOMBARDO ACCADEMIA DI SCIENZE E LETTERE 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 D. SCANNICCHIO 2013 01/42

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

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

raggi X raggi gamma PRODUZIONE DI RAGGI X E GAMMA 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

MATERIA adroni electroni neutroni nucleo protone atomi protoni • singoli fasci per adroterapia ~ 1985 • centri medici di adroterapia ~ 1990 05/42 D. SCANNICCHIO 2013

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

particelle cariche neutroni PRODUZIONE DI PARTICELLE produzione naturale produzione artificiale radiazione cosmica acceleratori di particelle emissione da nuclei radioattivi (radionuclidi) neutroni produzione artificiale reattori nucleari D. SCANNICCHIO 2013 07/42

> 1990 D. SCANNICCHIO 2013 08/42

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 all’arresto (range R) • LET dipende da E, d, Zmateria D. SCANNICCHIO 2013

ASSORBIMENTO della RADIAZIONE nella MATERIA • unità di energia: ◊ UNITA’ PRATICA SU SCALA ATOMICA : elettronVolt (eV) = 1.6 10–19 joule • MeV (mega-elettronVolt) = 106 eV • GeV (giga-elettronVolt) = 109 eV • TeV (tera-elettronVolt) = 1012 eV D. SCANNICCHIO 2013 10/42 ◊ SISTEMA INTERNAZIONALE : joule (J)

ASSORBIMENTO della RADIAZIONE nella MATERIA • DOSE ASSORBITA: D = energia assorbita massa ◊ SISTEMA INTERNAZIONALE : gray (Gy) = 1 joule/1 kg • gray (Gy) = 100 rad D. SCANNICCHIO 2013 11/42

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

ASSORBIMENTO della RADIAZIONE CORPUSCOLARE • raggi X • elettroni RADIOTERAPIA CONVENZIONALE • protoni • ioni carbonio (12C) • altri ioni (4He, 14N, 16O) • neutroni ADROTERAPIA D. SCANNICCHIO 2013 13/42

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

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

COLLIMAZIONE D. SCANNICCHIO 2013 17/42

X ray COLLIMAZIONE D. SCANNICCHIO 2013 18/42

CONFRONTO protoni 200 MeV cm 10 20 da frenamento di elettroni 10 20 cm protoni 200 MeV da da frenamento di elettroni da 25 MeV CONFRONTO D. SCANNICCHIO 2013 19/42

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ASSORBIMENTO della RADIAZIONE nella MATERIA BIOLOGICA • DOSE BIOLOGICA ASSORBITA: Dbiologica = RBE x Dfisica ◊ SISTEMA INTERNAZIONALE : sievert (Sv) = RBE x 1 Gy • sievert (Sv) = 100 rem = 100 RBE x rad D. SCANNICCHIO 2013 21/42

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

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• tipo di cellule neoplastiche • posizione del tumore PIANO di TRATTAMENTO • 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 D. SCANNICCHIO 2013 27/42

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Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica • 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 2008-2011 D. SCANNICCHIO 2013 30/42

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15.12.2005 30.07.2006 30.07.2006 D. SCANNICCHIO 2013 32/42

CNAO D. SCANNICCHIO 2013 33/42

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SALA di TRATTAMENTO D. SCANNICCHIO 2013 35/42

SALA di TRATTAMENTO D. SCANNICCHIO 2013 36/42

TECNICHE di POSIZIONAMENTO • sistema di immobilizzazione personalizzato • piano di carbonio con markers di riferimento • markers distribuiti sull’area 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 100-200 secondi/campo • controllo continuo della posizione (100 Hz) D. SCANNICCHIO 2013 37/42

TECNICHE di POSIZIONAMENTO • markers distribuiti sull’area irraggiata • mobilizzazione del lettino secondo il piano di trattamento • controlli accurati posizionamento (RX e IR) D. SCANNICCHIO 2013 38/42

TECNICA di IRRAGGIAMENTO • scanning beam D. SCANNICCHIO 2013 39/42

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(solo protoni 1 sala di trattamento) TERAPIE in CORSO 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 - 15-20 sessioni per paziente - marzo 2013: 2a sala di trattamento attiva - inverno 2013: 3a sala di trattamento attiva - entro 2014 termine sperimentazione (250 pazienti - circa 12 protocolli) D. SCANNICCHIO 2013 42/42

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