Roberto Bello*
Ciclotrone
2
Il ciclotrone è un acceleratore circolare di par8celle ele9ricamente cariche.
La costruzione fu ispirata da una pubblicazione dell’ingegnere norvegese Rolf
Wideroe.
Ernest Lawrence con il suo assisitente M. Livingston lo costruirono nel 1929 a
Berkley (Università della California).
Al primo acceleratore ci si riferiva come alla “giostra di protoni” (proton
merry-‐go-‐round).
Il ciclotrone è cos8tuito da 2 semicilindri, che vis8 in sezione hanno una forma a “D”, immersi in un campo magne8co costante B, con
applicata una differenza di potenziale V.
Il principio di funzionamento del ciclotrone si basa sulla forza di Lorentz, che fa ruotare la par8cella su di un orbita circolare, mentre la differenza di potenziale, variabile nel tempo, accelera la par8cella stessa tra i due semicilindri che lo cos8tuiscono.
La par8cella di carica ele9rica q si muove su di un orbita circolare di raggio r con
velocità v:
F = ma -‐> qvB = mv2/r
La pulsazione ω e la frequenza f, sono:
ω = v/r = qvB f = v /2π r = qB / 2π m
Ad ogni semigiro r e v aumentano in modo tale da avere f = costante.
Il ciclotrone funziona ad energie non rela8vis8che, ovvero quando l’energia cine8ca << dell’energia a riposo della par8cella da accelerare:
Ecin ≈ 1% Erip
Protoni: Erip = 938 MeV Emax ≅ 10 MeV Deutoni: Erip = 1877 MeV Emax ≅ 20 MeV Par8celle α: Erip = 3733 MeV Emax ≅ 40 MeV
Per il regime rela8vis8co si devono sviluppare acceleratori diversi (i sincrociclotroni).
APPLICAZIONI:
Adroterapia
Radiofarmaci
Adroterapia
810
12
Intervallo terapeutico di energia tipico della protonterapia
[3, 300] Mev: il protone è assunto come particella elementare.
Processi fisici principali:
§
Collisioni con gli elettroni atomici (
Stopping
): i protoni cedono
energia agli elettroni causando eccitazione e ionizzazione degli atomi,
la gran parte dell
’
energia è rilasciata in corrispondenza degli ultimi
cm di percorso (picco di Bragg). Il tasso di perdita di energia media –
dE/dx (MeV/cm), o
Stopping Power,
è descritto dalla formula di Bethe-‐
Bloch.
§
Reazioni nucleari: produzione di particelle secondarie come protoni,
neutroni
,
raggi
γ
(eccitazione dei nuclei del mezzo), particelle
α
(frammenti più pesanti di queste sono molto rari) e nuclei residui,
isotopi radioattivi
(attivazione dei tessuti), es.
15O
11
C
(
β
+-‐emettitori),
con emivita breve.
§
Scattering multiplo Coulmbiano: diffusione elastiche con i nuclei
atomici
allargamento della sezione laterale del fascio (
“
penombra laterale
”
).
La curva dose-‐profondità di una particella dipende dal tipo di
interazioni con la materia.
Picco di Bragg
Frammentazione degli ioni di
carbonio (sovradosaggio)
Picco di Bragg allargato (SOBP) :
per irradiare il bersaglio in
profondità la posizione del
picco viene variata modificando
l
’
e n e r g i a d e l f a s c i o
Scopi della radioterapia con adroni:
1.
Fornire una elevata dose di radiazione conforme al bersaglio tumorale;
2.
evitare i tessuA sani circostanA e gli organi a rischio.
[Gy = J/kg]
dE
dm
Dose =
[Protoni/cm
2]
dN
dA
Φ
=
14Fluenza dei protoni
Dose fisica assorbita
Distribuzione ideale di dose: 100% al target tumorale
0% tessuti sani circostanti
Range: distanza percorsa dal punto di
i n g r e s s o fi n o a l l a p o s i z i o n e i l
corrispondenza della quale la dose
rilasciata nella fase discendente del del
picco di Bragg è pari all
’
80% del valore
Pencil Beam Scanning - PBS
• La lesione viene suddivisa, idealmente, in voxel.
• Ogni voxel viene irraggiato con un fascio di protoni in modo tale da ottenere, a fine trattamento, una distribuzione di dose uniforme nel target e non sovradosare gli
Organi A Rischio (OAR).
Il numero di protoni per ciascun fascio, l’energia di ciascun fascio e il suo posizionamento vengono determinati da software chiamati Treatment Planning
System (TPS).
• Nel piano ortogonale alla direzione di propagazione, il fascio viene orientato con l’ausilio di magneti
deflettori.
• La profondità a cui si forma il picco di Bragg è determinata dall’energia utilizzata.
Gantry a isocentro fisso
Gantry: Struttura posta alla fine della linea del fascio in grado di
deflettere i protoni e orientare la radiazione lungo qualsiasi direzione
1. Il sistema di riferimento nel quale vengono
localizzati i fasci viene chiamato campo.
2. L’isocentro è un punto fisso attorno al quale ruota il Gantry (di norma localizzato all’interno della lesione).
3. La retta passante per il centro del campo e
perpendicolare ad esso punta sempre
all’isocentro.
Dati forniti da Hyperion
:1. Energia dei singoli fasci
2. Numero di protoni per fascio 3. Posizionamento dei fasci
all’interno del campo
4. Tipo di radiazione da
utilizzare per il trattamento,
5. Angolazione del Gantry per
l’irraggiamento,
6. Forma della sezione
trasversa dei singoli fasci.
Il software di simulazione
Vantaggi fisici dei protoni:
•
bassa dose rilasciata nel canale di
ingresso e nella regione distale;
• minore allargamento laterale del
fascio (scattering laterale)
il fascio può essere guidato in qualsiasi direzione;
• elevata densità di ionizzazione.
Vantaggi clinici dei protoni:
•
bassa dose integrale, bassa tossicità e
riduzione di effetti collaterali (tra cui tumori secondari radio-‐indotti)
ideale per l’oncologia
pediatrica;
• elevata conformazione al target.
Possibilità di curare tumori profondi e radio-‐resistenti
Svantaggio: Tecnologie costose (100 milioni € per la sola messa in opera di facility per protonterapia) 18
Immagine TC: confronto tra la distribuzione di dose calcolata per il traGamento della stessa lesione con Intensity Modulated Radia0on Therapy (IMRT) e protonterapia.
Radiofarmaci
Ciclotrone Siemens (CTI RDS112) 20
Interno del ciclotrone Siemens (CTI RDS112)
Il ciclotrone viene u8lizzato per accelerare par8celle cariche fino ad alte energie, con lo scopo di produrre radionuclidi tramite una reazione nucleare.
I moderni ciclotroni per impiego biomedico sono apparecchiature o*mizzate per la produzione dei principali radionuclidi che si
u8lizzano per sinte8zzare i radiofarmaci per l’impiego clinico e per la diagnos8ca.
Le immagini medico-‐nucleari vengono o9enute tramite la rilevazione di fotoni (radiazione e.m.) emessi dai radiofarmaci metabolizza8
dall’organismo e accumula8 nei pun8 di interesse.
E’ quindi il paziente che eme9e raggi gamma.
L’emissione viene registrata da apposite apparecchiature: Tomografi SPECT e PET, da cui si ricostruisce l’immagine.
Un radiofarmaco è un qualsiasi medicinale che include uno o più radionuclidi (isotopi radioa*vi) incorpora8 a scopo sanitario.
Viene somministrato in piccole quan8tà, in termini di massa, ma
sufficien8 ad essere rileva8 dall'esterno con apposi8 rivelatori gamma.
La distribuzione del radiofarmaco dipende dalla sua stessa stru9ura
chimica e non dalle cara9eris8che fisiche del radioisotopo impiegato per la sua preparazione.
Viene rilevata la distribuzione nell'organismo del radiofarmaco, per cui si può anche studiare l'a*vità metabolica di un certo distre9o corporeo.
Le cara9eris8che o*mali di un radiofarmaco per uso diagnos8co sono le seguen8:
-‐ Disponibilità costante -‐ Facile sintesi
-‐ Breve emivita -‐ Emissione γ
-‐ Localizzazione esclusiva nell'organo in esame -‐ Bassa dosimetria
Vengono u8lizzate le radiazioni gamma poiché le radiazioni corpuscolari sono poco penetran8 e ad alto LET (linear energy transfer) non perme9ono di o9enere immagini, producendo ionizzazioni ed effe* dannosi sulle
molecole degli organismi dire9amente e indire9amente a9raverso la produzione di radicali liberi.
Tipo di Emissione
Gamma puro: (Par8celle Alfa e Beta non perme9ono di o9enere immagini e danno dosi di radiazioni elevate)
Energia gamma
Ideale: 100-‐250 keV e.g. 99mTc, 123I, 111In
Subo*male: <100 keV e.g. 201Tl
>250 keV e.g. 67Ga &131I
I radiofarmaci hanno: -‐ Funzione diagnos8ca -‐ Funzione terapeu8ca
-‐ Meccanismo di localizzazione
-‐ Energia fisica liberata significa8va se terapeu8ci
I radiofarmaci non hanno: -‐ Effe9o farmacologico -‐ Meccanismo d’azione
-‐ Azione terapeu8ca radiante se diagnos8ci
La maggior parte dei kit di radiofarmaci sono prepara8 usando il 99mTc.
Il tecnezio è l'elemento chimico di numero atomico 43. Il suo simbolo è Tc.
È un elemento grigio argenteo, radioa*vo, metallo di transizione del periodo 4, cristallino molto raro in natura.
Il tecnezio è uno dei prodo* di fissione nucleare naturale ed ar8ficiale
dell'uranio e si usa in medicina nucleare per o9enere immagini scin8grafiche e tomografiche di numerosi compar8men8 corporei (99mTc).
L’emivita del 99mTc è pari a 6,01 ore.
Il 99mTc si lega ad una molecola nel kit, chiamata ligando, studiata per
localizzarsi in uno specifico organo/sistema.
La maggior parte del 99mTc deve legarsi al ligando e pertanto pochissimo 99mTc libero deve essere presente nel prodo9o finale.
Il 99mTc idrolizzato, altro prodo9o secondario del processo di marcatura,
deve essere presente anch’esso in minima concentrazione.
L’uso dei radiofarmaci avviene, ad esempio, nella:
-‐Scin8grafia
-‐ PET: Tomografia ad emissione di positroni
Scin8grafia
Immagine di scin8grafia ossea che evidenzia focolai
PET
Immagine di confronto tra un
sogge9o normale ed uno affe9o da Parkinson, al presente e in passato.
SPECT
Evidenza di lesione tumorale, non presente in immagine MRI
