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ADE B ADROTERAPIA - Facoltà di Medicina e Chirurgia

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Laurea Magistrale
MEDICINA
e CHIRURGIA
Corso di in
Laurea
Specialistica
in
“GOLGI”
MEDICINA
e CHIRURGIA
Corso
Integrato:
corso
integrato
FISICA -FISICA
disciplina FISICA
ATTIVITA’ DIDATTICA ELETTIVA
ADROTERAPIA
ADROTERAPIA
parte B
- RADIOTERAPIA CON ADRONI
- FASCI E CENTRI NEL MONDO
- CENTRO NAZIONALE DI ADROTERAPIA ONCOLOGICA
1 CFU
RADIOTERAPIA
con
ADRONI
- vantaggi
- piani di traamento
D. SCANNICCHIO 2014
02/44
ASSORBIMENTO della RADIAZIONE
CORPUSCOLARE
• raggi X
• elettroni
RADIOTERAPIA
CONVENZIONALE
• protoni
• ioni carbonio (12C)
• altri ioni (4He, 14N, 16O)
• neutroni
D. SCANNICCHIO 2014
ADROTERAPIA
03/44
VANTAGGI ADROTERAPIA
1° : PICCO di BRAGG
dose limitata
ai tessuti
tessuti
sani ricevono
dosesani
limitata
2° : COLLIMAZIONE del FASCIO
3° : DOSE RILASCIATA al DNA
04/44
D. SCANNICCHIO 2014
5
dose
4
unità
unità
relative
protoni 200 MeV
protoni 200fissata)
MeV
(profondità
(profondità fissa)
1° VANTAGGIO:
PICCO di BRAGG
CONFRONTO
picco di
picco
Braggdi Bragg
3
raggi γX 22
raggi
22 MeV
MeV
2
1
raggi raggi
γ
6060 γ
elettroni
da
22 MeV 200 keV
da Co
Co
22
MeV
elettroni raggi
raggi X
γ
200 keV
0
20
10
protoni a diverse energie
protoni
per coprire profondità
(profondità
Δx )
dose pelle = 1
profondità di
profondità
ditessuto
tessuto
x
cm
05/44
ASSORBIMENTO
IONIdi
LEGGERI
ASSORBIMENTO
IONI
sperimentali
datidati
sperimentali
ionizzazione
10
relativa
ionizzazione
relativa
8
12
135 MeV/n
C
270 MeV/n
6
330 MeV/n
4
2
2
Shiver et al. -
4
8
12
GSI
16
20
24
cmH20
7
06/44
UNIPV-DFNT
Comparison protons – carbon ions
From www.gsi.de
20
D. SCANNICCHIO 2014
07/44
2° ADVANTAGE
: COLLIMATION
COLLIMAZIONE
2° VANTAGGIO:
COLLIMAZIONE
del FASCIO
protons
depth
particle
4 cm
distribution
8 cm
1.5
beam diameter 1 cm
13 cm
1.0
0.5
electrons depth ≈ 10 cm
H2O
–3
D. SCANNICCHIO 2014
Ep = 150 MeV
Rp = 15.5 cm
15 cm
–2
–1
0
9
+1
+2
Ee = 20 MeV
Re = 12 cm
+3
cm
08/44
DIFFERENT
BEAM OUTLINE
2° VANTAGGIO:
COLLIMAZIONE
del FASCIO
COLLIMAZIONE
C ion
depth
d = 4 cm
particle
distribution
1.5
EC = 258 MeV/u
RC = 15.5 cm
d = 15 cm
beam diameter 1 cm
raggi
X at d ≈ 15 cm
X ray
1.0
EX = 18 MeV
H2O
protons at 15 cm Ep = 150 MeV
0.5
Rp = 15.5 cm
–3
D. SCANNICCHIO 2014
–2
–1
0
+1
10
+2
+3
cm
09/44
IO2O
AGG
VANT
PROTONI
(180
MeV)
IN H
1° & 2°
!E ( MeV cm–3 )
!V
picco di Bragg
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
protoni da
180 MeV
in acqua
0.1
0
16
12
cm
D. SCANNICCHIO 2014
8
4
–1
–2
0 –3
0
1
2
3 4
cm
elevata collimazione del fascio
10/44
frenamento
frenamento
γ 1.3 MeV γ da
didi
elettroni
elettroni
60
dada
cm
0
Co
da
da2525MeV
MeV
CONFRONTO
protoni
protoni
MeV
200 MeV
cm
0
10
10
20
cm
20
cm
PICCO di BRAGG
+
COLLIMAZIONE
D. SCANNICCHIO 2014
11/44
2° VANTAGGIO : COLLIMAZIONE
2° VANTAGGIO: CONSEGUENZE
molto elevata fino all'arresto
conseguenza:
elevata
collimazione fino a fine range
conseguenza
necessaria
elevata precisione
di puntamento
elevata precisione
nel puntare
al bersaglio
sul bersaglio
( ≤ 1 mm(~1
) mm)
problema:
posizionamento
posizionamento
paziente
deldel
paziente
problema
necessario impiego
di tecnologie avanzate
ancora in fase di sviluppo
sviluppi tecnologici
8
12/44
3° VANTAGGIO :
RILASCIO di DOSE al DNA
meccanismi di distruzione cellulare
- produzione radicali liberi (azione chimica)
- rottura meccanica (azione fisica)
RBE + OER
Radiation Biological Efficiency
Oxigen Enhancement Ratio
D. SCANNICCHIO 2014
13/44
12
EFFETTI delle RADIAZIONI
Radiation Biological Efficiency (RBE)
- energia delle particelle (range)
- curva di sopravvivenza cellulare/dose radiazione
- tipo di cellula e di tessuto
- fase ciclo cellulare
- tipo particella
- Linear Energy Transfert (LET)
- Oxigen Enhancement Ratio (OER)
• radiazioni basso LET
raggi X, elettroni
- produzione radicali liberi
- rottura chimica legami DNA
(riparazione danni DNA)
• radiazioni alto LET
protoni, ioni
- rottura fisica DNA
(danni DNA non riparabili)
14/44
16
DOSE DEPOSITATA NEL DNA
1
basso LET
fotoni #
fibra di cromatina
( ! 25 nm Ø)
1 MeV protoni
istoni
DNA
( ! 2 nm Ø)
nucleosoma
D. SCANNICCHIO 2014
1 MeV/u particelle "
1 MeV/u ioni C
10 nm
alto LET
15/44
LINEAR ENERGY TRANSFER (LET)
LET [keV/
!m]
LET
(keV/µm)
740
DNA
415
DNA
D. SCANNICCHIO 2014
16/44
proton 1.6 MeV
Range = 0.05 mm
DEPOSIZIONE
di DOSE
nel DNA
4000
x(Å)
2000
DNA
simulazione
con
protoni
0
2 nm
–2000
1 µm
z(Å)
LET=19.8 keV/mm
0
2000
4000
6000
8000
10000
4000
Carbon 30 MeV
Range = 0.05 mm
x(Å)
2000
simulazione
con ioni
Carbonio
0
LET=449 keV/mm
2000
4000
14
D. SCANNICCHIO 2014
dimensioni
dei
cromosomi
–2000
DNA
6000 Å = 0.6 µm
–4000
2 nm
6000
1 µm
z(Å)
8000
–4000
10000
17
17/44
MECCANISMI DI ROTTURA DEL DNA
rotture multiple del filamento
di DNA avvolto sugli istoni
PARTRAC simulation
18/44
D. SCANNICCHIO 2014
15
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 2014
19/44
D. SCANNICCHIO 2014
20/44
PIANO DI TRATTAMENTO
2 campi
4 campi (X)
3 campi (p)
D. SCANNICCHIO 2014
19
21/44
risultati con ioni Carbonio (Chiba, Giappone)
Non Small Cell Lung Cancer
ioni Carbonio
modern X-ray
radiotherapy
182
pazienti
local control rate 62%-100%
149
56.0%
36
80.6%
3 years survival
34.2%
42.0%
65%-88%
64.7 Gy
60-81 Gy
in 32 frazioni in 2 frazioni
D. SCANNICCHIO 2014
28
22/44
RADIOTERAPIA
con
ADRONI
- tecnologia
- fasci e centri dedicati
- CNAO
D. SCANNICCHIO 2014
23/44
ALTA TECNOLOGIA
precisione ≤ 1 millimetro !!
- necessaria grande accuratezza nel posizionamento
del paziente
- elevata precisione nel rilascio della dose
- controlli in tempo reale pre- e durante la terapia
- controllo dopo irraggiamento
- interventi di sicurezza
vincoli attuali: tumore statico
• gestione totalmente computerizzata dei sistemi
D. SCANNICCHIO 2014
24/44
FASCI e CENTRI DEDICATI
• singoli fasci per adroterapia presso Centri di
ricerca in Fisica nucleare e delle particelle
~ 1985
(tempo dedicato alla adroterapia limitato)
• centri medici interamente dedicati alla adroterapia
~ 1990
- terapia con acceleratore per solo protoni
- terapia con acceleratore per solo ioni
- terapia con protoni e ioni nello stesso acceleratore
D. SCANNICCHIO 2014
25/44
PSI Villigen
Optis – eye treatments: 3450 patients (> 100 p/y I)
PSI gantry: > 100 patients
26
D. SCANNICCHIO 2014
26/44
19
PRINCIPALI CENTRI DI ADROTERAPIA
Loma Linda University Medical Center
10 m
• protosincrotrone 70 ÷ 250 MeV
• 3 testate isocentriche ruotanti
D. SCANNICCHIO 2014
27/44
21
HIMAC : Heavy Ion Medical Accelerator in Chiba
D. SCANNICCHIO 2014
28/44
Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica
• studio del progetto iniziato 1992 (CERN e INFN)
• acceleratore (sincrotrone) di protoni e di ioni carbonio
• sistema magnetico tradizionale
• 3 sale di trattamento
• fasci orizzontali e verticale (in una sala)
• sala separata 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
• primi pazienti settembre 2011
D. SCANNICCHIO 2014
29/44
D. SCANNICCHIO 2014
30/44
SORGENTE CARBONIO
31
SORGENTE PROTONI
D. SCANNICCHIO 2014
31/44
SALA CENTRALE:
FASCIO VERTICALE E ORIZZONTALE
D. SCANNICCHIO 2014
32/44
15.12.2005
30.07.2006
30.07.2006
D. SCANNICCHIO 2014
22
33/44
SALA ALIMENTATORI
CNAO
34
D. SCANNICCHIO 2014
34/44
D. SCANNICCHIO 2014
35/44
SALA di TRATTAMENTO
(fascio orizzontale)
D. SCANNICCHIO 2014
36/44
SALA di TRATTAMENTO
(fascio orizzontale)
D. SCANNICCHIO 2014
37/44
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 2014
38/44
TECNICHE di POSIZIONAMENTO
• markers distribuiti sull’area irraggiata
• mobilizzazione del lettino secondo il
piano di trattamento
• controlli accurati posizionamento (RX e IR)
D. SCANNICCHIO 2014
39/44
TECNICA di IRRAGGIAMENTO
• scanning beam
40/44
CASISTICA TUMORI in ITALIA
Regione
Piemonte/Valle D’Aosta
Lombardia
Trentino Alto Adige
Veneto
Friuli Venezia Giulia
Liguria
Emilia Romagna
NORD
Toscana
Umbria
Marche
Lazio
Abruzzo
Molise
CENTRO
Campania
Puglia
Basilicata
Calabria
Sicilia
Sardegna
SUD
ITALIA
D. SCANNICCHIO 2014
N° nuovi casi di
tumore x anno
21.450
46.300
4.270
22.900
6.010
8.250
20.400
130.030
16.700
3.900
6.800
24.560
5.900
1.500
59.360
20.900
15.020
2.250
7.400
18.700
5.450
69.720
259.110
Paz. attesi
Paz. trattati
10.725
23.150
2.360
11.450
3.005
4.125
10.200
65.015
8.350
1.950
3.700
12.280
2.950
750
29.680
10.450
7.510
1.125
3.700
9.350
2.735
34.860
129.555
10.373
22.520
1.628
12.519
3.571
4.218
9.955
64.784
8.725
2.150
2.300
9.209
1.998
50
24.432
5.248
3.919
400
2.300
5.796
1.364
19.027
108.243
Variazione
%
- 3.3
- 2.7
- 30.0
+ 9.3
+ 18.8
+ 2.2
- 2.4
- 0.3
+ 4.5
+ 10.2
- 32.4
- 25.0
- 32.3
- 93.4
- 17.7
- 49.8
- 47.8
- 64.5
- 37.8
- 38.0
- 49.9
- 45.4
- 19.7
41/44
D. SCANNICCHIO 2014
42/44
TERAPIE in CORSO
- iniziata sperimentazione settembre 2011
(solo protoni 1 sala di trattamento)
- ottobre 2012 (terapie anche con ioni carbonio)
- 15-20 sessioni per paziente
- marzo 2013: 2a sala di trattamento attiva
- oltre 150 pazienti trattati (protoni e ioni C)
- dicembre 2013 ottenuta Marcatura CE
(termine sperimentazione)
- Servizio Nazionale iniziato dal 1° gennaio 2014
- inverno 2013/14: 3a sala di trattamento attiva
D. SCANNICCHIO 2014
43/44
SVILUPPI FUTURI
diagnostica avanzata
FUSIONE IMMAGINI 3D, PET ON-LINE
sviluppo tecnologie avanzate
TESTATA ISOCENTRICA,
TRATTAMENTO TUMORI IN MOTO PERIODICO
(polmone, seno, mediastino)
TRATTAMENTO TUMORI IN MOTO CASUALE
studi clinici
studi radiobiologia
sviluppo piani di trattammento e analisi
automatica delle immagini
IMPIEGO DELLA RETE DI CALCOLO “GRID”
D. SCANNICCHIO 2014
44/44
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