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