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D. SCANNICCHIO 2013 01/42
LA FISICA IN MEDICINA
GLI ACCELERATORI NUCLEARI NELLA TERAPIA
DEI TUMORIDomenico Scannicchio
Dipartimento di Fisica - Ordinario di Fisica Medica
Corso di Laurea in Medicina e ChirurgiaUniversità di Pavia
Milano, 20 febbraio 2013
ISTITUTO LOMBARDO ISTITUTO LOMBARDO
ACCADEMIA DI SCIENZE E LETTEREACCADEMIA DI SCIENZE E LETTERE
RADIAZIONI
RADIAZIONI:
- elettromagnetiche- corpuscolari (particelle)
02/42D. SCANNICCHIO 2012 D. SCANNICCHIO 2013
SPETTRO ELETTROMAGNETICO
03/42
MeV keV
E = h= c
GeV E103106109
VISIBILE
700600500400
(nm)
VISIBILE
ONDERADIO
MICROONDE
INFRA--ROSSOULTRA-
-VIOLETTO
RAGGIX
RAGGIGAMMA
102110–210–410–610–810–1010–1210–14 (m) (m)
(Hz)
(Hz) 106108
3 108 Hz
1010101210141016101810201022
(cm)(mm)(m)(Å)(fermi) (nm)
RAGGI GAMMA
RAGGI X U.V. I. R.
MICROONDE ONDE
RADIO
D. SCANNICCHIO 2013
PRODUZIONE DI RAGGI X E GAMMA
raggi Xproduzione artificiale
tubo a raggi X
raggi X
produzione artificialetubi a raggi X
raggi produzione naturale
emissione da decadimento nuclei instabili(radionuclidi)
produzione artificialeacceleratori di particellereattori nucleari
raggi gamma produzione naturale
produzione artificiale
emissione di raggi da nuclei radioattivi (radionuclidi)
acceleratori di particelle
04/42D. SCANNICCHIO 2013
STRUTTURA DELLA MATERIA
u
ud
protone
neutrone
atomo
1920
1940
1970
protone
~
~
~
nucleo
neutrone
u d
d
elettrone
nucleo
quarks quarks
adroni
electroni nucleoneutroni
protone
atomi
neutroni protoniadroni
MATERIA
nucleo
• singoli fasci per adroterapia ~ 1985• centri medici di adroterapia ~ 1990 05/42D. SCANNICCHIO 2013
06/42D. SCANNICCHIO 2013
PARTICELLE
• nuclei ions
• electrons • muons (from cosmic rays)
• hadrons : - protons - neutrons - mesons
PRODUZIONE DI PARTICELLE
produzione artificialeacceleratori di particelle
produzione artificialeacceleratori di particelle
particelle cariche produzione naturale
produzione artificiale
radiazione cosmica
acceleratori di particelle
emissione da nuclei radioattivi (radionuclidi)
neutroni
produzione artificialeacceleratori di particelle
produzione artificialereattori 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
D. SCANNICCHIO 2013 11/42
• DOSE ASSORBITA:
D = energia assorbita
massa
◊ SISTEMA INTERNAZIONALE :
gray (Gy) = 1 joule/1 kg
• gray (Gy) = 100 rad
ASSORBIMENTO della RADIAZIONE CORPUSCOLARE
12/42
0.01 0.1 1 10 100 1000(MeV)0.1
1
10
100(cm)
R(E)H2O
E
alfa
p
e
mesoni elettroni
protoni
scala logaritmica
scala logaritmica
H2Orange R
scala logaritmica
scala logaritmica
protonimesoni elettroni
alfa
T
T
D. SCANNICCHIO 2012 D. SCANNICCHIO 2013
ASSORBIMENTO della RADIAZIONE CORPUSCOLARE
• raggi X• elettroni
RADIOTERAPIA CONVENZIONALE
D. SCANNICCHIO 2013 13/42
• protoni• ioni carbonio (12C)• altri ioni (4He, 14N, 16O)• neutroni
ADROTERAPIA
D. SCANNICCHIO 2013 14/42
CONFRONTO
raggi 22 MeV
raggi da 60Coelettroni
22 MeV
0 10 20
profondità di tessuto
1
2
3
4 unità relative
cm x
raggi X 200 keV
dose
protoni(profondità x )
protoni 200 MeV(profondità fissa)
picco di Bragg
dose pelle = 1
profondità di tessuto
picco di Bragg
protoni 200 MeV(profondità fissata)
protoni a diverse energie per coprire profondità
raggi X 22 MeV
22 MeVelettroni
raggi da 60Co
200 keV raggi
unità
15/42D. SCANNICCHIO 2013
7
135 MeV/n
270 MeV/n
330 MeV/n
C12
2
4
6
8
10
2 4 8 12 16 20 24
ionizzazione relativa
cmH20Shiver et al. - GSI
dati sperimentali
ASSORBIMENTO IONI LEGGERI
ionizzazionerelativa
dati sperimentali
ASSORBIMENTO di IONI
16/42D. SCANNICCHIO 2013
protons
Ep = 150 MeV Rp = 15.5 cm
0.5
1.0
1.5
0–1 +1–2 +2 cm
particle distribution
H2O
4 cm 8 cm
15 cm
+3–3
electrons depth 10 cm
Ee = 20 MeV Re = 12 cm
13 cm
9
depth
beam diameter 1 cm
2° ADVANTAGE : COLLIMATIONCOLLIMAZIONE
17/42D. SCANNICCHIO 2013
10
C ion E
C = 258 MeV/u
RC = 15.5 cm
0.5
1.0
1.5
0–1 +1–2 +2 cm
H2O
d = 4 cm
+3–3
DIFFERENT BEAM OUTLINE
raggi X at d 15 cmE
X = 18 MeV
protons at 15 cm
d = 15 cm
Ep = 150 MeV
Rp = 15.5 cm
beam diameter 1 cm
depthparticle distribution
X ray
COLLIMAZIONE
18/42D. SCANNICCHIO 2013
CONFRONTO
da frenamento di elettroni da 25 MeV
1.3 MeV da 60Co
0
10
20
cm
cm
cm0
10
20
protoni200 MeV
cm
da
da frenamento di elettroni da 25 MeV
protoni 200 MeV
19/42D. SCANNICCHIO 2013
D. SCANNICCHIO 2013 20/42
ASSORBIMENTO della RADIAZIONE nella MATERIA BIOLOGICA
• DOSE BIOLOGICA ASSORBITA:
Dbiologica = RBE Dfisica
D. SCANNICCHIO 2013 21/42
◊ SISTEMA INTERNAZIONALE :
sievert (Sv) = RBE 1 Gy
• sievert (Sv) = 100 rem = 100 RBE rad
D. SCANNICCHIO 2013 22/42
23/42
LET
(keV/m)
LINEAR ENERGY TRANSFER (LET)
D. SCANNICCHIO 2013
24
D. SCANNICCHIO 2013 24/42
D. SCANNICCHIO 2013 25/42
D. SCANNICCHIO 2013 26/42
PIANO di TRATTAMENTO
D. SCANNICCHIO 2013 27/42
• 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 28/42
D. SCANNICCHIO 2013 29/42
Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica
D. SCANNICCHIO 2013 30/42
• 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
31/42D. SCANNICCHIO 2013
15.12.2005
30.07.2006
30.07.2006
D. SCANNICCHIO 2013 32/42
33
D. SCANNICCHIO 2013 33/42
CNAO
D. SCANNICCHIO 2013 34/42
D. SCANNICCHIO 2013 35/42
SALA di TRATTAMENTO
D. SCANNICCHIO 2013 36/42
SALA di TRATTAMENTO
TECNICHE di POSIZIONAMENTO
D. SCANNICCHIO 2013 37/42
• 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)
TECNICHE di POSIZIONAMENTO
D. SCANNICCHIO 2013 38/42
• markers distribuiti sull’area irraggiata• mobilizzazione del lettino secondo il piano di trattamento• controlli accurati posizionamento (RX e IR)
TECNICA di IRRAGGIAMENTO
• scanning beam
D. SCANNICCHIO 2013 39/42
D. SCANNICCHIO 2013 40/42
D. SCANNICCHIO 2013 41/42
TERAPIE in CORSO
D. SCANNICCHIO 2013 42/42
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)
SVILUPPI FUTURI
D. SCANNICCHIO 2013 A/42
diagnostica avanzata
sviluppo tecnologie avanzate
studi clinici
informatizzazione diffusa e avanzata
sviluppo piani di trattammento e analisi automatica delle immagini
FUSIONE IMMAGINI 3D, PET ON-LINE
TESTATA ISOCENTRICA, TRATTAMENTO TUMORI IN MOTO CASUALE
IMPIEGO DELLA RETE DI CALCOLO “GRID”