I I fisici fisici “ “ accelerano accelerano ” con ” con tre tre tipi tipi di di strumenti strumenti : :

(1)

ADROTERAPIA DEI TUMORI IN ITALIA ADROTERAPIA DEI TUMORI IN ITALIA

E NEL MONDO E NEL MONDO

Ugo Ugo Amaldi Amaldi Fondazione

Fondazione TERA e Universit TERA e Università à di di Milano Milano Bicocca Bicocca

(2)

I I fisici fisici “ “ accelerano accelerano ” con ” con tre tre tipi tipi di di strumenti strumenti : :

1. 1. ciclotrone ciclotrone

(3)

I I fisici fisici “ “ accelerano accelerano ” con ” con tre tre tipi tipi di di strumenti strumenti : : 2. 2. linac linac

Sorgente di protoni o di ioni carbonio

300 MHz

(4)

I I fisici fisici “ “ accelerano accelerano ” con ” con tre tre tipi tipi di di strumenti strumenti : : 3. 3. sincrotrone sincrotrone

ADONE a Frascati - 1969

25 m

Cavità a RF: 1- 5 MHz

(5)

I radioterapisti usano un solo tipo di acceleratore:

linac per elettroni linac per elettroni

target

Multileaf collimator 3 GHz Electron linac

270° bending magnet

-

→

Flattening filters

Ion chambers

Maximum dose rate:

~ 5 Gy/min

e X on target

(6)

TAC è TAC è essenziale essenziale

IMRT =

Intensity Modulated

Radiation Therapy

(7)

Testata rotante, collimatore multilamellare e

sistema piani di trattamemento (TPS)

(8)

Cosa Cosa sono sono gli gli “ “ adroni adroni ” ? ” ?

Gli “adroni” sono fatti di quark

ione carbonio = 6 protoni + 6 neutroni atomo

protone o neutrone

quark “u” o “d”

elettrone “e”

(9)

Adroni

Adroni carichi carichi in materia in materia

protoni 200 MeV

X

23.5 ioni carbonio 4700 MeV

[controllano [ controllano I tumori I tumori radioresistenti radioresistenti !] !]

fascetto di adroni

che rallentano nel tessuto

Muovendo il fascetto si irradia il bersaglio in modo “conforme ”

25 cm Bersaglio

tumorale

(10)

Picco di Bragg Picco di Bragg

200 MeV protons 4700 MeV Carbon

Spread Out Bragg Peak

(11)

Vantaggio

Vantaggio macroscopico macroscopico dell’ dell’ adroterapia adroterapia

Photons Protons

Rapid fall-off

raggi X protoni

(12)

I I protoni protoni sono sono piu’ piu ’ precisi precisi dei dei raggi raggi X: esempio X: esempio

tumore tra gli occhi

9 fasci X 1 fascio di protoni

(13)

Vantaggio

Vantaggio microscopico microscopico degli

degli ioni ioni carbonio carbonio

1 10 100 LET RBE

4

3

2

1 10 – 20 keV/mm = 100 – 200 MeV/cm =

20 – 40 eV/(2 nm)

(14)

RBE: Relative Biological Effectiveness RBE: Relative Biological Effectiveness

Il modello biologico del GSI (Kraft et al) permette il calcolo della RBE

Per otenere una dose biologica “piatta” la dose fisica non è “piatta”

(15)

Riassunto

Riassunto dei dei vantaggi vantaggi dei dei protoni protoni e degli e degli ioni ioni

Se gli acceleratori di protoni fossero piccoli e “poco” costosi

come i linac per elettroni

i radioterapisti i radioterapisti userebbero userebbero fasci fasci di di protoni, protoni , pi pi ù ù precisi precisi e con e con gli gli stessi stessi effetti effetti dei dei raggi raggi X X

Gli ioni carbonio lasciano in ogni cellula

23 volte più energia di un protone e gli effetti sono qualitativamente diversi da quelli dei raggi X e dei protoni

i radioterapisti i radioterapisti giapponesi giapponesi usano usano gli gli ioni ioni carbonio carbonio per I

per I tumori tumori radiorestenti radiorestenti degli degli adulti adulti (polmone ( polmone, , fegato fegato… …) )

(16)

Numero

Numero di di pazienti pazienti italiani italiani

Nel 2003 l’ Associazione Italiana di Radioterapia Oncologica AIRO ha pubblicato un rapporto :

su 10 milioni di cittadini, 20·000 sono oggi trattati con raggi X di questi

1% devono essere trattati con protoni (Categoria A)

10% si avvanteggerebbero da trattamenti con protoni (Categoria B)

3% si avvanteggerebbero da trattamenti con ioni carbonio

QUINDI QUINDI

L’ L ’Italia Italia dovrebbe dovrebbe avere avere 4- 4 -5 5 centri centri di di protonterapia protonterapia e e

1 1 centro centro per per ioni ioni carbonio carbonio ( ( Pavia Pavia ) )

(17)

I I siti siti

Nel mondo

protonterapia:

35 000 pz.

ioni carbonio:

2000 pz.

(18)

GRUPPO DI STUDIO SULLA RADIOTERAPIA CON ADRONI:

IMPLEMENTAZIONE DI UNA RETE DI CENTRI CLINICI SUL TERRITORIO NAZIONALE ITALIANO

Roberto Orecchia, Milano (coordinatore) Roberto Orecchia, Milano (coordinatore)

Marco Krengli, Novara (segretario) Marco Krengli, Novara (segretario)

Maurizio Amichetti, Cagliari Maurizio Amichetti, Cagliari

Marcello

Marcello Benassi Benassi, Roma , Roma Gianpaolo

Gianpaolo Biti, Firenze Biti , Firenze Corrado Magnani, Novara Corrado Magnani, Novara Stefano Magrini, Brescia Stefano Magrini, Brescia

Sandro Rossi, Milano Sandro Rossi, Milano Riccardo Santoni, Roma Riccardo Santoni, Roma

Protoni, Categoria A: 900 pz/anno Protoni, Categoria B: 15000

Ioni carbonio: 3700

TOTALE

TOTALE 19600 19600

(19)

Adroterapia nel mondo Adroterapia nel mondo

M.D. Anderson Cancer Center Houston (TX) (2004)

protons (≤ 235 MeV) from cyclotron 3 gantries + 1 fixed beam + 1 experimental Midwest Proton Radiaton Institute

Bloomington (IN) (2003) protons (≤ 210 MeV) from cyclotron 1 gantry + 1 fixed beam + 1 experimental

LOMA LINDA UNIVERSITY CENTER

Los Angeles (1992)

protons (≤ 250 MeV) from synchrotron

NORTHEAST PROTON THERAPY CENTER NPTC of Mas General Hospital

Boston (2001) protons (≤ 235 MeV)

cyclotron (IBA)

2 gantries + 2 fixed beams

(20)

Centro

Centro commerciale commerciale di di protonterapia protonterapia

5 in USA, 4 in Giappone, 2 in Cina, 1 in Svizzera, 1 in Germania,

1 in Corea , 1 finanziato a Trento

(21)

Giappone: 4 Centri protoni e 2 centri ioni carbonio Giappone: 4 Centri protoni e 2 centri ioni carbonio

KASHIWA CENTER Chiba (1998)

protons (≤ 235 MeV) cyclotron (IBA – SHI) 2 Gantries + 1 hor. beam HYOGO MED CENTRE

Hyogo (2001)

protons (≤ 230 MeV) - He and C ions (≤ 320 MeV/u) Mitsubishi synchrotron

2 p gantries + 2 fixed p beam + 2 ion rooms

TSUKUBA CENTRE Ibaraki (2001) protons (≤ 270 MeV) synchrotron (Hitachi)

2 gantries 2 beam for research WAKASA BAY PROJECT

by Wakasa-Bay Energy Research Center Fukui (2002)

protons (≤ 200 MeV) synchrotron (Hitachi) 1 h beam + 1 v beam + 1 gantry

SHIZUOKA FACILITY Shizuoka (2002) Proton synchrotron

HEAVY ION MEDICAL ACCELERATOR HIMAC of NIRS (1995)

He and C (≤ 430 MeV/u) 2 synchrotrons

2 h beams + 2 v beams

(22)

Progetto pilota per ioni carbonio: GSI (Darmstadt) Progetto pilota per ioni carbonio: GSI (Darmstadt)

Gerhard Kraft et al

2004: 200 patients (Prof. J. Debus)

(23)

HICAT

HICAT – – Universit Universit à à di Heidelberg di Heidelberg

Finanziato con 72 MEuro:

[Stato Centrale: 36 BEI: 36]

Heidelberg: J. Debus U. Weber

GSI: H. Eickhoff

Th. Haberer

(24)

z z Scopo Scopo : introdurre : introdurre in Italia e in Italia e

all all ’estero ’ estero le tecniche le tecniche di di adroterapia adroterapia

z z Fondazione Fondazione non- non -profit profit creata

creata nel nel 1992 a 1992 a Novara Novara Riconosciuta

Riconosciuta nel nel 1994 1994 dal dal Ministero Ministero della della Salute Salute

z z Oggi Oggi : 15 : 15 fisici fisici e e ingegneri ingegneri (equivalenti ( equivalenti a tempo a tempo pieno) pieno )

z z Due Due siti: siti : Università Universit à di di Milano- Milano -Bicocca Bicocca CERN,

CERN, Ginevra Ginevra

(25)

I I progetti progetti TERA TERA

TERA ha

TERA ha proposto proposto il il Centro Nazionale Centro Nazionale: a : a Novara Novara (93 (93 -95) e - 95) e Milano Milano (96 (96 -99) - 99)

La terapia La terapia con ioni con ioni carbonio carbonio sta sta dando dando risultati risultati positivi positivi (Giappone ( Giappone) ) sui sui tumori tumori radioresistenti radioresistenti

Centri

Centri di di protonterapia protonterapia con ciclotroni con ciclotroni e e sincrotroni sincrotroni sono sono commerciali: commerciali :

TERA ha

TERA ha sviluppato sviluppato una una soluzione soluzione nuova nuova per per diagnostica diagnostica e terapia e terapia Dal Dal 2002 il 2002 il Centro Nazionale Centro Nazionale di di Adroterapia Adroterapia

si si costruisce costruisce a Pavia a Pavia

(26)

Proton Ion Medical Machine Study

1996- 1996 -2000: PIMMS 2000: PIMMS

Proton Ion Medical Machine Study CERN – TERA – Med-Austron

Capo progetto: P.Bryant Presidente del PAC : G. Brianti

Nessuna limitazione di spazio e fondi

1999 1999 - - 2003 2003

“PIMMS/TERA design”

¾ energia di iniezione: 7 MeV/u

¾ Un solo linac (GSI) dentro l’anello

¾ Iniezione su molti giri

¾ Linee di fascio compatte

(27)

CNAO = Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica CNAO = Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica per protoni e ioni carbonio per protoni e ioni carbonio

Investmento

Investmento richiesto richiesto 70 M€ 70 M €

Fondazione

Fondazione CNAO CNAO creata

creata nel nel 2001 2001 Presidente

Presidente: E. : E. Borloni Borloni

Min. Salute 35,3 Min. Salute 35,3 M€ M€

Fondazioni

Fondazioni 7,1 M€ 7,1 M€

Pronto a

Pronto a Pavia Pavia alla alla fine del 2007 fine del 2007

Fondatori

Fondatori CNAO CNAO - - MILANO: Ospedale MILANO: Ospedale Maggiore, Maggiore , Ist Ist. . dei dei Tumori Tumori , ,

Ist. Ist . Europeo Europeo di di Oncologia Oncologia , Ist , Ist. . Neurologico Neurologico Besta Besta . .

(28)

Fondazione

Fondazione CNAO e CNAO e collaborazioni collaborazioni

TERA ha prodotto per la CNAO 2900 pagine di disegni e specifiche tecniche e ha trasferito16 persone a pieno tempo e 9 consulenti

(Settembre 2002- Dicembre 2003)

CNAO si è sostituita a TERA nelle collaborazioni con:

Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN (C. Sanelli et al) Università e Sezione di Torino dell’INFN (M. I. Ferrero, R. Cirio et al) CERN

GSI (Darmstadt) (G. Kraft, Th. Haberer et al.)

INFN è divenuto Partecipante Istituzionale della CNAO (fine 2003)

(29)

Il sito del CNAO Il sito del CNAO

Febbraio 2004:

carotaggi sul terreno del comune vicino a Policlinico S. Matteo

Pavia

'

CNAO

37000 m

²

(30)

Aree funzionali

Aree funzionali – – piano interrato piano interrato

Spogliatoi personale mq 350 Collegamenti verticali mq 248 Area tecnica acceleratore mq 486 Centrali tecnologiche mq 330 AREE FUNZIONALI

Area acceleratore mq 4187 Trattamento mq 3627 Simulazione mq 312

Accettazione-attesa mq 356

LEGENDA

(31)

Sezioni Sezioni

SEZIONE LONGITUDINALE

(32)

19 marzo 2004

19 marzo 2004 - - Sono state selezionate le ditte per la trattativa su: Sono state selezionate le ditte per la trattativa su:

costruzione dei magneti e del sistema di controllo.

22 marzo 2004

22 marzo 2004 – – La ditta Calvi- La ditta Calvi -TEKNE ha terminato il progetto TEKNE ha terminato il progetto degli edifici necessario per lancia

degli edifici necessario per lanciare la gara europea re la gara europea

(33)

Altri

Altri progetti progetti europei europei : : MedAustron MedAustron a a Wiener

Wiener Neustadt Neustadt

PIMMS/TERA

130 m

Acceleratore: 75 M€

Edifici: 40 M€

Med. Dir.: T. Auberger

Tech. Dir: E. Griesmeyer

(34)

Altri

Altri progetti progetti europei: ETOILE a Lyon europei : ETOILE a Lyon

PIMMS/TERA

Fascio

Fascio verticale verticale

Accordo della Università Claude Bernard con CEA (DMS) – CNRS (IN2P3)

4200 m

²²

(35)

Altri

Altri progetti progetti europei europei : Nordic Centre a Stockholm : Nordic Centre a Stockholm

PIMMS/TERA

Karolinska ha

7 linac e 1 microtrone(50 MeV)

Primo progetto: Karolinska – TERA

NIM B184 (2001) 569

(36)

ENLIGHT = European

ENLIGHT = European Networak Networak for Light Ion Therapy for Light Ion Therapy

Project Leaders

U. Amaldi, J. Debus, J-P. Gérard, H-F Hoffmann, G. Kraft, R. Pötter,

H. Svensson, A. Wambersie,

Project Management

G. Heeren, G. François

WP 1

Epidemiology and Patient

Selection R. Pötter

WP 3

Preparation, Delivery

& Dosimetry of Ion Beams A. Brahme

WP 4

Radiation Biology

A. Wambersie

WP 5

In-Situ Monitoring

With PET

W. Enghardt

WP 6

Health Economics

Aspects

P. Pommier

WP3A

Prepar.

of beams

WP3B

Control system + dosimetry

WP3C

Treatment Planning

WP3D

Accelerator Technology

CO-ORDINATOR

A. Wambersie (assisted by

J-P. Gérard, R. Pötter)

WP 2

Epidemiology and Patient

Selection J. Mazeron

H-H Baron D. Schulz

Project Leaders

U. Amaldi, J. Debus, J-P. Gérard, H-F Hoffmann, G. Kraft, R. Pötter,

H. Svensson, A. Wambersie,

Project Management

G. Heeren, G. François

WP 1

Epidemiology and Patient

Selection R. Pötter

WP 3

Preparation, Delivery

& Dosimetry of Ion Beams A. Brahme

WP 4

Radiation Biology A. Wambersie

WP 5

In-Situ Monitoring

With PET

W. Enghardt

WP 6

Health Economics

Aspects

P. Pommier

WP3A

Prepar.

of beams

WP3B

Control system + dosimetry

WP3C

Treatment Planning

WP3D

Accelerator Technology

CO-ORDINATOR

A. Wambersie (assisted by

J-P. Gérard, R. Pötter)

WP 2

Clinical trials

J.J. Mazeron

H-H Baron

D. Schulz

(37)

Ciclotrone di bassa energia per produzione di radioisotopi

per la diagnostica Ciclotrone

Acceleratore lineare per p oppure C

TERA ha

TERA ha proposto proposto un un nuovo nuovo strumento strumento : :

il il “ “ cyclinac cyclinac ” ”

(38)

Protonterapia Protonterapia : : dettagli

dettagli del LIBO 30 del LIBO 30 - - 210 210

Modulo 30-40 MeV in costruzione

150 cm

80 cm ^K

¹

^K2

Isolatore

Finestra

Modulatore

360 cm

Lunghezza totale = 16 m

per 10 moduli Ciclotrone

da 30 MeV

Protoni in uscita 210 MeV

‘Singolo’ ‘Doppio’

4 10

(39)

Prototipo

Prototipo del quarto modulo del LIBO del quarto modulo del LIBO

Cosa è LIBO? Un linac ad accoppiamento laterale

(SCL –Side Coupled Linac – Los Alamos)

Cosa c’ è di nuovo? Primo linac per protoni ad alta frequenza (3 GHz) e

alto gradiente: 15-20 MV/m in ogni “tank”

(40)

Elementi

Elementi di di base base

(41)

Prototipo

Prototipo del quarto modulo del LIBO del quarto modulo del LIBO

Collaborazione

Collaborazione INFN INFN - - CERN CERN - - TERA 1999 TERA 1999 - - 2001 2001

Modulo provato a Catania nei Laboratori dell’INFN

(42)

Schema del

Schema del cyclinac cyclinac per per protonterapia protonterapia profonda profonda

10 1

50 m 20 m

8 m Istituto per la Diagnostica e la Radioterapia Avanzate

IDRA = Cyclone 30 + LIBO 30-210 210 MeV

10

1

(43)

Schema

Schema di di un cyclinac un cyclinac per melanoma per melanoma

50 m 20 m

8 m 3

1 Istituto per la Diagnostica e la Radioterapia Avanzate Terapia del melanoma oculare

50 m 20 m

8 m

65 MeV

(44)

Possibili

Possibili usi usi del LIBO 30- del LIBO 30 -160 160

Cyclone + LIBO = IDRA Cyclone + LIBO = IDRA Istituto

Istituto per la Diagnostica per la Diagnostica e la Radioterapia e la Radioterapia Avanzate Avanzate

A. Cyclone 30: produzione di radiosotopi per PET (FDG) e SPECT B. Cyclone 30 + LIBO 30-65: terapia del melanoma oculare

C. Cyclone 30 + LIBO 30-160:

Tumori pediatrici

Tumori della base cranica

e altri tumori a 15 cm di profondità

(45)

In un

In un secondo secondo tempo si tempo si potr potr à à aggiungere aggiungere una una testata testata rotante rotante

LIBO

ciclotrone

testata rotante

paziente

(46)

Una Una nuova nuova struttura struttura per un cyclinac per un cyclinac a a ioni ioni carbonio carbonio

CLUSTER

Coupled-cavity Linac USing Transverse Electric

Radial fields

(TERA – Patent pending)

LIBO:

SCL = Side Coupled Linac (Los Alamos)

Bridge coupler

Strutture βλ/2

(47)

LIBO a 3 GHz: in 16 metri campo totale = 180 MeV (11 Mev/m) CLUSTER a 6 GHz: in 26 metri campo totale = 700 MeV (27 MeV/m)