TOP-Linac: un acceleratore per un Centro di Protonterapia del Centro Italia Collaborazione tra ISS, ENEA ed IFO-IRE

.

0

20

40

60

80

100

120

8 9 10 11 12 13 14

Depth in water,cm

Relative Dose

Target Region

PSI (72 MeV p), SwitzerlandPSI (200 MeV p), SwitzerlandUppsala (p), SwedenClatterbridge (p), UKNice (p), FranceOrsay (p), FranceH. M. I, Berlin (p), GermanyITEP – Mosca (p), RussiaDubna (p), RussiaSt. Petersburg (p), RussiaINFN-LNS (p) Catania , ItalyG.S.I. Darmstadt (C), Germany

Patients treated (end 2006):Patients treated (end 2006):

Protons 49440Protons 49440 Carbon & other ions 5800Carbon & other ions 5800

All particles 55240All particles 55240

(ptcogweb.psi)(ptcogweb.psi)

CNAO

Trento

Mestre

Catania

TOP

Centri Italiani di Adroterapia

Esistenti

Finanziati

ProgettoProton and Carbon Radiotherapy Centers

Dopo anni di sperimentazione e trattamento presso alcuni Centri di Ricerca di Fisica Nucleare, in cui si usavano per tempo limitato gli acceleratori utilizzati per la ricerca di base, dal 1990 (Loma Linda, California – primo centro ospedaliero) si sono cominciati a costruire dei Centri indipendenti presso strutture ospedaliere per avere a disposizione i fasci terapeutici a tempo pieno.I Centri (alcuni ancora presso strutture non ospedaliere, ma sempre più in strutture indipendenti di tipo ospedaliero) attualmente in funzione in cui si effettua trattamento radioterapeutico con adroni (protoni o ioni più pesanti) sono 28 (vedi mappa). Uno di essi è in Italia (presso il Laboratorio Nazionale del Sud dell’INFN – Catania), ma l’energia del fascio permette solo il trattamento di tumori poco profondi (melanoma oculare).Altri Centri già finanziati e nella fase di costruzione o di avanzata progettazione saranno operanti in anni molto prossimi:5 in Germania (nuovi), 1 in Svizzera (ampliamento), 1 in Austria (nuovo), 1 in Francia (ampliamento), 3 in Italia (nuovi), 1 in Corea (nuovo), 2 negli USA (nuovi) ed 1 in Sud Africa (ampliamento). La situazione italiana è illustrata in figura. Documenti di Associazioni mediche hanno esaminato il possibile bacino di utenza per la cura di patologie che trarrebbero vantaggio dalla nuova tecnologia. Nel quadro del Programma Adroterapia sono stati individuate le patologie che trarrebbero beneficio dall’irraggiamento con protoni, classificandole in due categorie. La categoria A comprende le indicazioni elettive, e include le lesioni vicine a organi molto critici. In questa categoria rientrano per esempio il melanoma uveale, i tumori paraspinali, gli adenomi dell’ipofisi e il meningioma parasellare.La categoria B comprende le patologie che possono trarre un vantaggio dalla protonterapia, e include tumori per i quali il miglioramento del controllo locale influisce sulla storia naturale del tumore, migliorando la sopravvivenza. A questa categoria appartengono, tra l’altro, tumori della prostata, della vescica, dei polmoni, del retto, della testa e collo, del pancreas.

Un centro TOP LINAC, con una sala per l’occhio, una sala con fascio fisso e una sala a testata rotante, potrebbe trattare circa 500 pazienti per anno.

Dalle curve già ci si può rendere conto che, al contrario delle radiazioni convenzionali, irraggiando anche da una sola direzione si può rilasciare più dose al volume bersaglio interno, sede della formazione tumorale, che non ai tessuti sani posti tra la sede di entrata del fascio ed il volume da trattare. La intuizione è confermata da calcoli di dose effettuati con appositi programmi di simulazione (vedi figura sotto).

Uno dei principali vantaggi dei protoni rispetto a raggi x ed elettroni è che solo per i primi si può modificare sostanzialmente il punto in cui è ceduta la gran parte della la loro energia, scegliendo opportunamente l’energia del fascio di protoni che definisce la profondità della fine del percorso (vedi figura a lato). Irradiando con differenti energie si può creare anche un plateau di dose chiamato SOBP (Spread Out Bragg Peak) per trattare volumi tumorali di diverso spessore e a diverse profondità

Europe = 11 + 1 carbon

North America = 7Japan = 5 + 2 carbon

China = 1

TOP- Linac : un acceleratore innovativo per la Radioterapia con protoni

I potenziali pazienti italiani per anno sono stati stimati in : 830 per la categoria A;15023 per la categoria B per un totale di 15853 per anno.

L’ISS, utilizzando i fondi 1% per la ricerca, ha lanciato nel 1995 il progetto per costruire un acceleratore innovativo, in collaborazione con l’ENEA (tecnologia degli acceleratori) e l’IFO-IRE (richieste cliniche), nel campo della radioterapia con protoni.

Il TOP-Linac presenta i seguenti vantaggi rispetto ad altri acceleratori proposti dal mercato: a) è l’unico acceleratore che permette di trattare il volume tumorale modulando in modo attivo e non passivo (evitando quindi una degradazione della qualità del fascio) l’irraggiamento nelle coordinate XYZ del punto bersaglio; b) permette di modulare l’intensità del fascio nel punto di rilascio della dose permettendo una minore durata delle sedute di trattamento ed una migliore uniformità di dose con la tecnica del “repainting”; c) presenta una modularità nella costruzione: è composto da sottosistemi in sequenza finalizzati ad output sanitari e la costruzione può avvenire secondo il flusso dei finanziamenti ma si raggiunge già dalle prime fasi un’operatività che permette il rimborso dal SSN o da Piani Sanitari Assicurativi, senza attendere il completamento dell’intero progetto all’energia massima; d) usa la tecnologia RF a 3 GHz (quella generalmente utilizzata per i fasci di protoni ha una frequenza circa 10 volte minore) già ampiamente utilizzata negli acceleratori medicali per elettroni e dall’industria radar con relativo abbattimento dei costi; e) l’uso della tecnologia ad alta frequenza riduce le dimensioni trasverse dell’acceleratore con diminuzione dei costi di costruzione dello stesso, del bunker e dell’edificio; f) la qualità ottica del fascio è migliore rispetto ai fasci degli acceleratori circolari permettendo linee di trasporto del fascio più semplici e meno costose; g) èprogetto italiano e può essere sviluppato da industria italiana con la speranza che possa servire alla creazione di un’industria elettro-medicale italiana.

Il progetto del TOP-Linac può essere specializzato (produzione di radioisotopi congiunta alla radioterapia, numero di stazioni di terapia e loro energia massima, numero di fasci per ogni stazione e caratteristica di incidenza dei fadci sul paziente, stazioni sperimentali per ricerca di base in radiobiologia) in modo diverso a secondo degli interessi dell’ospedale in cui l’acceleratore è installato.

Il progetto adattato all’IFO-IRE (Top-Linac IFO-237 – layout accanto) prevede: 1) due stazioni per la radioterapia : a) energia fissa 140 MeV (massima profondità 10 cm) con eventuale degradazione passiva per profondità minori per tumori testa-collo ed occhio; trattamento su postazione seduta con sedia speciale, fascio orizzontale; b) energia variabile 140-237 MeV (massima profondità 30 cm) per tumori profondi con modulazione attiva sulle 3 coordinate; trattamento in posizione supina su lettino speciale; 2 fasci : orizzontale e verticale; 2 stazioni per ricerca sperimentale: a) 3 – 7 MeV per radiobiologia cellulare; b) 140 MeV per radiobiologia su animali.

Iniettore Linea di trasporto fascio

Targhetta produzione 18F

18F

Progetto e costruzione cavità accelerante

Accoppiamento linea RF

Monitor di fascio: prototipo dell’elettronica e del rivelatore

Acquisti, progettazione, costruzione, test Prospettive

Soluzioni tecniche dei problemi trovate e sperimentate.

E’ necessaria decisione politica per un progetto che richiede risorse impegnative, anche se inferiori a quelle richieste da impianto commerciale.

I Presidenti dei 3 Enti coinvolti (ISS-ENEA-IFO/IRE) stanno operando per avere il green- light politico/finanziario necessario.