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L’acceleratore lineare TOP-IMPLART per protonterapia
Concetta Ronsivalle - ENEA UTAPRAD (Unità Tecnica Applicazioni delle RADiazioni)
collaborazione Progetto TOP-IMPLART:
XVI CONVEGNO NAZIONALE DELLA SOCIETÀ ITALIANA PER LE RICERCHE SULLE RADIAZIONI (SIRR)Pavia, 7-8 novembre 2014
Sommario
Acceleratori per protonterapia Il Progetto TOP-IMPLART L’acceleratore di protoni TOP-IMPLART Layout attuale Attività sperimentale Sviluppi Conclusioni
La protonterapiaVantaggi della protonterapia rispetto alla terapia con fotoni:
Selettività spaziale
Dose più bassa agli organi sani circostanti
7 campi con IMRT 2 campi con IMPT
IMRT-IMPT
Mutuando le tecniche radioterapiche più avanzate (IMRT) con fasci di fotoni, si possono ottenere con i protoni concentrazioni di dose ancora più conformi (IMPT).
28
11
1
Cyclotrons Synchrotrons Synchrocyclotrons
0
2
4
6
8
10
12
14
16Particle therapy facilities in operation
Acceleratori per protonterapia
ProtonCenters
40IonCenters8
Sincrotroni 11
Ciclotroni 28
Sincrociclotroni 1
PTCOG STATISTIC (www.ptcog.ch):Total facilities in operation 48Patient statistic (end 2013):Total for all facilities (in and out operation): 122449 105743 (only protons)
Acceleratori per protonterapia
Acceleratori per protonterapia
- Occorre puntare alla riduzione dei costi di impianto e trattamento
- Macchine meno costose, più efficienti, più compatte
- Trattamenti di minore durataPHOTONS PROTONS
PRICE 2-3.5 MUSD 20-35 MUSDFOOTPRINT 100 m2 200-400 m2
COST PER TREATMENT
400 Euro 1000 Euro
PATIENTS PER YEAR
2.500.000 12.000M. Schillo (Varian)Conf. IPAC14
Acceleratori per protonterapiaMacchine alternative a ciclotroni e sincrotroni:
Sincrociclotroni compatti
MEVION S250 FFAG FULL LINAC (Progetto TOP-IMPLART) CYCLINAC Dielectric wall accelerators Sorgenti laser
Il Progetto TOP-IMPLART Obiettivo: Realizzazione di un centro di
protonterapia basato su un acceleratore di protoni completamente lineare fino a 230 MeV da istallarsi presso IFO a Roma
Condotto da: ENEA (acceleratore,radiobiologia cellulare e
animale)
ISS (dosimetria,monitoraggio fascio, radiobiologia cellulare)
IFO (utente finale,requisiti clinici, treatment planning,schermature)
Il Progetto TOP-IMPLART
IFO-Roma
Il Progetto TOP-IMPLART Finanziata dalla Regione Lazio per 11 M€ la
realizzazione del prototipo di acceleratore lineare da 150 MeV da installarsi presso l’IFO dopo essere stato provato presso ENEA- Frascati:
2010: siglato l’accordo tra ENEA, ISS, IFO e Regione Lazio
inizio 2013: start-up del Progetto con un finanziamento di 2.5M€
giugno 2014: erogazione di ulteriori 2M€
Coinvolgimento industrie nazionali (prevalentemente laziali): CECOM, NRT R&D, SIT, TSC
Il Progetto TOP-IMPLART
Sito di test:CRE ENEA-FrascatiEd. ex SINCRO
Prototipo finanziato dalla Regione Lazio
Origini del Progetto
SCDTL
TOP (Terapia Oncologica con Protoni)-IMPLART (Intensity Modulated Proton Linear Accelerator) 1993: Il Laboratorio Acceleratori ENEA partecipa alla collaborazione
Adroterapia (Amaldi) 1994-1995: Invenzione della struttura SCDTL a 3 GHz per protoni di bassa energia (Brevetto ENEA)
1996: Proposta di un acceleratore lineare innovativo da 200 MeV in collaborazione con TERA/CERN
RF input
CouplingCavity
AcceleratingTank
PMQ
Origini del Progetto
SCDTL
1998-2005 Disegno accettato dal Progetto TOP (Terapia Oncologica con Protoni) dell’ISS.Collaborazione ENEA,ISS,IFO
2 Convenzioni ENEA-ISS (2.6 M€) acquisto iniettore,sviluppo preprototipi linac a 3 GHz2005-2008 revisione del Progetto,ricerca fondi. Rinominato il Progetto con aggiunta di IMPLART
In parallelo attività ENEA nel campo degli acceleratori medicali per IORT: trasferimento know-how a industria nazionale (Hitesys,poi NRT e SORDINA oggi SIT) divenuta leader mondiale nel settore: (80 macchine in Italia e all’estero).
LINAC TOP-IMPLART:sezione bassa energia
Iniettore commerciale ACCSYS-HITACHI (frequenza di operazione 425 MHz), modello PL7: Sorgente duoplasmatron (30 keV)+RFQ (3 MeV) +DTL (7 MeV). Modificato per operare a bassa corrente
LEBT verticale (include un magnete a 90 gradi) dedicata a esperimenti di radiobiologia
LEBT orizzontale (4 quadrupoli elettromagnetici)
1.Sorgente con limitatore di corrente (diaframma) Imax=150 uA
2. Intensità variabile tramite una lente elettrostatica prima dell’RFQ che attualmente si sta rendendo pulsata
Layout attuale: l’iniettore
A) SourceB) RFQC) DTLD) RF supply
D
A B
C
lente
Layout attuale:linea verticale
Linea dedicata a esperimentidi radiobiologia “in vitro”
Holder di acciaio (=13 mm) contiene cellule (spessore 6µm ) su Mylar (spesso 60µm) con il loro terreno di coltura
Lamina d’oro da 2 µm
Collimatore di alluminio ( =2 mm)
Finestra di Kapton 50 µm
69 c
m
Magnete a 90°
Attività sperimentale:radiobiologia
Irraggiamento di cellule V79 al variare della dose (0.5-8 Gy) per diverse energie del fascio e “dose rate”.
Primi test:Energia=5 MeV (LET=7.7 keV/µm)frip=6.25 HzDose rate=2 Gy/min
Dosimetria con pellicole gafcromiche EBT3
Attività sperimentale:radiobiologia
POSTER
LINAC TOP-IMPLART:sezione media energia (7-35 MeV)
4 moduli SCDTL operanti a 3 GHz alimentati da un klystron da 10 MW di potenza
La struttura SCDTL (Side Coupled Drift tube Linac) nasce dalla necessità di compattare strutture di tipo DTL. La protonterapia richiede di accelerare correnti molto basse (no problemi di carica spaziale) il che consente l’uso di alta frequenza RF.
realizzato da CECOM (Guidonia)
Layout attuale:modulo SCDTL-1
SCDTL-1Numero di tanks acceleranti
9
Lunghezza 1.1 mRaggio del foro di passaggio dei protoni
2 mm
Potenza in ingresso
1.3 MW
Energia iniziale 7 MeVEnergia finale 11.6 MeV
tank PMQ smontabili
PMQ
interno tank
Attività sperimentale: test acceleratore alta frequenza (modulo SCDTL-1)
Spot del fasciodi protoni all’uscita di SCDTL-1
10 mm
Output beam current
Misura di energia
tramite misura range
in Al (curva di
trasmissione
vs spessore crescente
di Alluminio)
Attività sperimentale: test acceleratore alta frequenza (modulo SCDTL-1)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
630 660 690 720 750 780 810 840
Tran
smis
sion
Al (um)
Measurements
computed transmission curve for 11.6 MeV
5 6 7 8 9 10 11 120
1000
2000
3000
4000
5000
6000
energy(MeV)
il 43% del fascio in uscita ha una energia superiore a 11 MeV.Il picco è attorno a 11.63 MeVa 11.6
Corrente accelerata=15 µA
11 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6 11.7 11.8 11.9 120
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
energy(MeV)
LINAC TOP-IMPLART:sezione alta energia (35-150 MeV)
4 moduli di tipo CCL (Coupled Cavity Linac) ciascuno alimentato da una singola unità RF (klystron da 10 MW)
Per acceleratori di protoni modelli sono stati sviluppati da TERA e INFN-Napoli a 60 e 30 MeV. La società ADAM, spin-off del CERN ha costruito un modulo a 30 MeV
Varie strutture CCL sono state costruite in ENEA e impiegate per linac a elettroni.
LINAC TOP-IMPLART:sezione alta energia (35-150 MeV)
4 moduli di tipo CCL (Coupled Cavity Linac) ciascuno alimentato da una singola unità RF (klystron da 10 MW)
Energia variata in maniera attiva sopra gli 85 MeVspegnendo le sSingole unità RF e variando la potenza nell’ultimo modulo acceso
Caratteristiche e peculiaritàAcceleratore pulsato (durata impulso: 4 µsec)
naturalmente adatto alla IMPT: XYZ scan e possibilità di variare la corrente da impulso a impulso
Frequenza di ripetizione: (tipica) 100 Hz (max 200 Hz)
Carica 3·108 – 106 protoni/impulso Variazione rapida di energia (limitata dalla velocità
dei magneti) Perdite di corrente a bassa energiaFascio di alte qualità ottiche -> Magneti più compatti
Caratteristiche e peculiarità MODULARITA’:Composto da sottosistemi in sequenza finalizzati ad
output sanitari. Costruzione e test secondo flusso dei finanziamenti e rapido raggiungimento del rimborso dal SSN o da Piani Sanitari Assicurativi.
TECNOLOGIA A 3GHz A PARTIRE DA 7 MEV: Compattezza e tecnologia già nota
INIZIATIVA ITALIANA:
Collaborazione tra istituti nazionali Brevetti Trasferimento di tecnologie alle imprese interessate (tra
cui quelle che realizzano le macchine IORT)
Progetto TOP-IMPLART:scala temporale
Inizio 2015: 27 MeV Metà 2015: 35 MeV. Verifica da
parte della commissione individuata dalla Regione Lazio del raggiungimento della milestone stabilita (energia attorno a 30 MeV) per erogazione terza “tranche” (€ 6.5M)
Metà 2016: energia di interesse clinico
Metà 2017: 150 MeV.
Sviluppi:"single room facility"Le perdite di fascio confinate alla parte di bassa energia suggeriscono la possibilità di realizzare un acceleratore compatto localmente schermato,con una singola uscita
Sviluppi:altre iniziative derivate
Sono stati avviati 2 programmi di interesse industriale basati sullo schema dell’acceleratore TOP-IMPLART:
LIGHT da società ADAM (Ginevra) spinoff del CERN recentemente acquistata da AVO Oncotherapy, (England)
ERHA da ITEL (Ruvo di Puglia) che ha siglato recentemente un accordo di collaborazione con l’INFN
Entrambe le società hanno stipulato dei contratti con
ENEA per lo studio di fattibilità della prima parte del linac (SCDTL) e le simulazioni della dinamica del fascio
ConclusioniPrimi risultati dell’attività sperimentale relativa alla realizzazione del prototipo dell’acceleratore TOP-IMPLART:
Messa in opera della linea verticale, precise calibrazioni delle pellicole Gafcromiche EBT3 e primi irraggiamenti di campioni biologici
Allineamento,test di accelerazione da struttura SCDTL fino a 12 MeV
Il Progetto TOP-IMPLART consentirà lo sviluppo di nuove tecnologie finalizzate
alla effettuazione di IMPT e scanning attivo 3D all’effettuazione di ricerca radiobiologica e radioclinica alla riduzione dei costi di impianto e dell’impatto economico e
ingegneristico all’utilizzo di nuove tecnologie sfruttando le realtà già operative nel
campo della IORT
Layout attualeLINEA RADIOBIOLOGIA 3-7 MeV
11.6 MeV
SCDTL-1
iniettore
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