A Pavia,, una buona scienza a servizio dell’uomo
CNAO
Centro Nazionale di
ADROTERAPIA ONCOLOGICA
•
•
•
•
•
•
•
Cosa sono gli adroni?
Come penetrano nel corpo?
P
Perché
hé si può
ò curare un tumore con gli
l adroni?
d
?
Come si ottengono gli adroni?
Che tecniche si utilizzano?
C
Cosa
sii sta
t costruendo
t
d a Pavia?
P i ?
Come funzionerà?
ACCELERATORI
PER LA SALUTE:
L’ADROTERAPIA
… risponde
p
(o
( almeno
m
ci prova!)
p
)
Paolo Montagna
ricercatore in Fisica Nucleare
docente di Fisica Medica nei corsi di laurea nelle Professioni Sanitarie Tecniche
e di R
Radioattività
di
i i à nell corso di laurea
l
in
i Tecniche
T
i h di Radiologia
R di l i Medica
M di
Liceo “Cairoli" Pavia
marzo 2011
Paolo Montagna
Introduzione all’adroterapia
-1-
Cosa sono gli adroni?
Adroni = particelle che risentono dell’interazione nucleare forte
… di fatto
f tt sono
n ttutte
tt
le particelle presenti
nel nucleo atomico:
protoni e neutroni
in numero variabile
In adroterapia
I
d t
i
si utilizzano
• Protoni
• Ioni carbonio
elettrone “e”
“adroni”
sono
GliGli
“adroni”
sono
fatti
quark
fatti
di di
quark
atomo
12C6+
6
ione
carbonio =
=
ione carbonio
6
protoni +
6 protoni
+6
6 neutroni
neutroni
protone o
neutrone
quark “u”
quark
u“u”oo“d”
d“d”
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Paolo Montagna
Introduzione all’adroterapia
-2-
Le particelle nella materia
Le particelle
L
ll cariche
h (elettroni,
( l
protoni, nuclei)
l )
penetrano nei corpi cedendo energia, grazie
alle interazioni coulombiane con gli elettroni
atomici della materia attraversata.
attraversata
Le particelle neutre (neutroni, fotoni) vengono
invece assorbite in modo esponenziale.
In entrambi
I
bi i casii l’effetto
l’ ff
è lla ionizzazione
i i
i
e/o eccitazione degli atomi della materia
(danno biologico cellulare).
Un fascio di particelle cariche percorre un
tratto di strada ben preciso a seconda della
sua energia. Un fascio di particelle neutre
i
invece
diminuisce
di i i
gradualmente
d l
t di intensità,
i t
ità
ma è in grado di attraversare anche grandi
distanze senza esaurirsi completamente (es.
raggi X)
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Introduzione all’adroterapia
-3-
Gli adroni nella materia
Quando un adrone (particella carica pesante) entra nella materia viene progressivamente
rallentato da numerosi urti con gli elettroni atomici del corpo. La probabilità di tali collisioni
aumenta con il diminuire dell’energia della particella. Quindi i fasci di ioni carichi perdono gran
parte della loro energia cinetica iniziale in una zona relativamente stretta al termine del loro
percorso (picco di Bragg),
Bragg) mentre ll’energia
energia rilasciata nel tratto iniziale è relativamente bassa.
bassa
RILASCIO DI ENERGIA DI DIVERSE RADIAZIONI NEL TESSUTO BIOLOGICO
PICCO DI BRAGG
raggi X
protoni
elettroni
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raggi gamma
GRAFICO
della dose
assorbita (in %)
in funzione
della profondità
del tessuto
Gli adroni permettono di
irradiare tumori profondi
risparmiando le cellule sane!
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Introduzione all’adroterapia
-4-
Idea base dell
dell’adroterapia
adroterapia
Gli adroni
permettono di
irradiare
tumori profondi
risparmiando
le cellule sane!
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Introduzione all’adroterapia
-5-
Dose
e biologica
a effettiva [%]
Adroterapia: come e perché
Il picco di Bragg…
si può “allargare”
quanto necessario
q
variando l’energia!!!
La radioterapia convenzionale
utilizza elettroni e raggi X
Ma ci sono dei problemi:
• Gli elettroni non penetrano in profondità
• I raggi X rilasciano alte dosi prima del
bersaglio, e dosi basse anche dopo
• Entrambi hanno alta dispersione laterale
Con gli adroni si riesce a penetrare alla
profondità desiderata variando l‘energia
ottenendo un rilascio conforme alle
dimensioni del tumore
Æ picco di Bragg allargato
e rilasciando una dose inferiore prima
d l picco
del
i
e nulla/piccola
ll / i
l dopo
d
il picco
i
Profondità in acqua [cm]
Ioni carbonio 12C6+ rispetto ai protoni:
Vantaggi: maggior LET, minor dispersione laterale Æ minor dose prima del tumore
Svantaggi: frammentazione
f
nucleare
l
Æ maggior dose
d
dopo
d
ill tumore
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Introduzione all’adroterapia
-6-
Radioterapia e adroterapia
Photons
Raggi
X
Protons
Protoni
Gli adroni
Gl
d
permettono di
d
• irradiare tumori profondi
• in modo conforme
alle
ll loro
l
dimensioni
di
i i
• risparmiando le cellule sane!
Ma allora l’adroterapia
p
è sempre migliore
della radioterapia?
NO,, dipende…
p
L’adroterapia non sostituisce la radioterapia convenzionale, che anzi mantiene la sua
validità per la maggior parte dei tumori, ma è un’arma in più a disposizione dei
pazienti e dei
d medici
d
in situazioni particolari.
l
Solo
l valutando
l
d ogni singolo
l caso si può
ò
stabilire l’approccio terapeutico migliore, ed eventualmente l’opportunità di ricorrere
all’adroterapia. Questa potrà essere utilizzata in aggiunta o in sostituzione
di trattamenti più tradizionali,
tradizionali radioterapici
radioterapici, chirurgici o farmacologici.
farmacologici
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Introduzione all’adroterapia
-7-
Ma gli adroni dove li prendiamo?
TIPO DI PARTICELLE:
Elettroni, protoni, ioni pesanti
19 J):
ENERGIA (i
(in elettronvolt:
l
l 1 eV
V = 1.6
1 6 ·10
10-19
J)
Bassa (10-100 MeV), media (100 MeV – 1 GeV), alta (>1 GeV )
INTENSITA’
INTENSITA’:
N.particelle al secondo e al cm2
DUE CATEGORIE PRINCIPALI
PRINCIPALI:
A bersaglio fisso (elettrostatici o ciclici)
A collisione (colliders)
ACCELERATORI
DI PARTICELLE
ACCELERATORI CICLICI
Lineari (per iniettare le particelle)
Circolari (per raggiungere le energie desiderate)
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Introduzione all’adroterapia
-8-
Il ciclotrone
In campo magnetico, gli ioni carichi seguono
traiettorie circolari in due camere semicircolari
chiamate D connesse a un potenziale oscillante.
Quando gli ioni sono all’interno dei D sentono solo
il campo magnetico e la loro traiettoria è circolare.
Nel gap tra i due D vengono accelerati da un campo
elettrico. Ad ogni semigiro il campo elettrico tra i D
viene invertito.
Forza di Lorentz Æ F = qvB = mv2/r Æ v = qBr/m
ÆEnergia massima: E = ½ mv2
limitata dal valore del raggio e del campo magnetico!
… e se non basta?...
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Introduzione all’adroterapia
-9-
Il ciclotrone di Pavia
Produzione di radiofarmaci (18F) per la PET
presso il LENA dell’Università di Pavia
www-1.unipv.it/cylena/
Inaugurazione
9 luglio 2007
Diametro esterno del magnete: 2 m
Altezza totale: chiuso 2,22 m, aperto 2,87 m
Peso: 22 Tonnellate
Ioni: estratti: H+, D+; accelerati: H-, DE
Energia:
i protoni:
i 18 MeV;
M V deutoni:
d
i 9 MeV
M V
Numero di porte per i bersagli: 8
Fasci estratti contemporaneamente: 2
Consumo di corrente: < 50 KW
Intensità campo magnetico principale: 1,3
13T
Radiofrequenza: 10 KW a 42 MHz
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Introduzione all’adroterapia
- 10 -
Il sincrotrone
L’energia ottenibile mediante ciclotrone è limitata.
Un aumento di energia richiederebbe dimensioni e costi enormi.
SINCROTRONE
Idea: campo magnetico gradualmente crescente.
Le particelle percorrono la stessa orbita ma a velocità sempre maggiore.
L’orbita
delle
particelle
è
mantenuta
costante, il campo magnetico viene applicato
solo sulla circonferenza. Ad ogni passaggio,
l’energia aumenta, e anche il campo
magnetico deve aumentare per mantenere il
raggio costante.
Teoricamente
non ci sono limiti all’energia
salvo dimensioni e costi dei magneti.
magneti
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Introduzione all’adroterapia
- 11 -
LHC
Large Hadron Collider protoni-protoni (o ioni pesanti)
Circonferenza 27 km - Energia
g massima 14 TeV = 1.4·1013 eV
Inizio attività 10/09/08 - fascio singolo di protoni da 1 TeV
Interruzione 19/09/08 - Ripresa 23/11/09
Prime
r m collisioni
co s on 30/03/10
/ / - due
u fasc
fasci di protoni
proton da
a 3.5
.5 TeV
V
Nel 2010 raggiunti tutti gli obiettivi del 1° anno e verificata tutta la fisica nota del Modello Standard
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Introduzione all’adroterapia
- 12 -
Acceleratori e…
e
Moltissime
M
lti i
applicazioni
li
i i
pratiche: tecnologiche,
industriali, mediche,…
Rassegna delle attuali
applicazioni industriali e mediche
degli acceleratori di particelle
A tutta velocità
Acceleratori, non solo ricerca
Semplice come un’altalena
Cellule e radiazioni
Acceleratori per la salute
Dalla fisica alla medicina
Guarire con i protoni
Parola all’oncologo
Un acceleratore “tascabile”
per l’adroterapia
Acceleratori in farmacia
Nata dalla ricerca
al servizio della medicina
Proiettili nel silicio
Elettroni in tuta blu
E luce fu
Neutroni, sonde e alchimia
Notte bianca della ricerca
La fisica, più magica
d Harry Potter
di
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Introduzione all’adroterapia
Acceleratori per la salute
INFN
Istituto Nazionale
di Fisica Nucleare
Rivista “Asimmetrie”
n.6-2008
www asimmetrie it
www.asimmetrie.it
Vittorio Giorgio Vaccaro
Crisostomo Sciacca
Carlo Bernardini
Roberto Cherubini
Ugo Amaldi
Vincenzo Napolano
Giacomo Cuttone
Catia Peduto
Luciano Calabretta
Mauro Bonardi
Francesca Scianitti
Claudio Piemonte
Amedeo Staiano
Emilio Burattini
Paolo Pierini
Catia Peduto
Bruno Arpaia
- 13 -
Adroterapia e come si fa?
Adroterapia…
Terapia con adroni =
far giungere ai pazienti fasci di protoni o ioni carbonio
alle energie opportune per 6-7 sedute da pochi minuti ciascuna.
Centri per l’adroterapia
1) INIEZIONE Æ linac: acceleratore lineare
Nelle
N
ll vicinanze
i i
di
centri ospedalieri!
Protoni o ioni (da idrogeno o carbonio ionizzato) vengono accelerati
da un campo elettrico e introdotti nell’anello di accelerazione
2) ACCELERAZIONE Æ sincrotrone: acceleratore circolare
Le particelle vengono mantenute in orbita circolare e fatte girare a
velocità sempre crescente per mezzo di un campo magnetico che
aumenta gradualmente
3) ESTRAZIONE Æ linee di fascio
Sempre per mezzo di campi elettromagnetici, i protoni o ioni vengono
fatti uscire dall’anello e inviati a una delle diverse sale di
trattamento dove colpiscono il paziente, posizionato tramite congegni
elettronici e monitorato online.
online
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Introduzione all’adroterapia
- 14 -
Il centro del centro
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Introduzione all’adroterapia
- 15 -
Adroterapia
p
in Italia e nel mondo
IN ITALIA
• CENTRO DI PROTONTERAPIA ATTIVO A CATANIA
• CENTRO CNAO IN COSTRUZIONE A PAVIA
• CENTRO DI PROTONTERAPIA IN PROGETTO A TRENTO
NEL MONDO
CENTRI IN:
•
•
•
•
•
•
•
USA
GIAPPONE
SVIZZERA
CINA
GERMANIA
FRANCIA
COREA
40000 pazienti con p
2500 pazienti
i ti con C
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Introduzione all’adroterapia
- 16 -
Il centro di Catania
A Catania (INFN – Lab.Naz.
Lab Naz del Sud)
fascio di protoni da 62 MeV da ciclotrone superconduttore.
Dal 2002 al 2008 sono stati trattati 164 pazienti
affetti da particolari tumori dell
dell’occhio
occhio a poca profondità.
profondità
Primi dati pubblicati (2008)
su 139 pazienti
Salvato l’occhio a 132 pazienti
Buon controllo locale nel 95 % dei casi!
Asportato a 7 pazienti:
1 per perforazione cornea
(non dipendente da terapia)
1 per progressione
progress one locale del tumore
5 per danni radioindotti
Ass.Italiana
Fisica in Medicina, 2/2008
Insorte metastasi a distanza in 12 pazienti
di cui 6 poi deceduti.
deceduti
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Introduzione all’adroterapia
- 17 -
1° in Europa: Heidelberg 2009
1
05 11 2009 - Heidelberg Ion-Beam Therapy Centre (HIT) officially opened
05.11.2009
The Heidelberg Ion-Beam Therapy Centre (HIT) at the University Hospital of Heidelberg was
officially opened on 2nd November 2009 by Minister President Günther H. Oettinger.
The HIT in Heidelberg is the first radiation therapy facility in Europe that enables the
treatment of malignant tumours both with heavy ions and with protons.
The centre’s rotatable gantry used for heavy-ion treatment is the only one of its kind in the
world. So far, there are only around 30 ion-beam therapy facilities in the world, in the USA,
Japan and Europe. The operating permit was officially handed over at the opening ceremony
and the first patients will undergo treatment in the next few weeks.
Photos © University Hospital Heidelberg
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Introduzione all’adroterapia
- 18 -
Il CNAO di Pavia
Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica
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Introduzione all’adroterapia
- 19 -
Come funzionerà il CNAO
•
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•
Il centro CNAO dovrebbe entrare in funzione entro la fine del 2010
Funzionerà in day-hospital
L’80% dei trattamenti sarà con ioni carbonio, il 20% con protoni
C saranno tre sale
Ci
l di
d trattamento; in una di
d esse ill fascio
f
arriverà
à anche
h
verticalmente
Per l’iniezione si utilizzerà un unico acceleratore
LINAC sia p
per p
protoni che p
per ioni carbonio
Il sincrotrone ha diametro di 25 metri
Le sorgenti e l’iniettore sono sistemati all’interno
del sincrotrone
Attraverso un sistema di magneti,
magneti gli adroni
1
accelerati alle energie necessarie verranno
2
3
estratti dal sincrotrone e deviati in una delle
tre sale di trattamento
In una seconda fase si allestiranno altre sale
25 m
sperimentali per attività di ricerca con gli adroni
in radiobiologia nei tempi di non utilizzo clinico
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Introduzione all’adroterapia
- 20 -
Visita al CNAO
http://server11.infn.it/video/multimedia/foto/cnao2009/index.htm
Foto febbraio 2009
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Introduzione all’adroterapia
- 21 -
Prospettive cliniche
L’80% delle sedute saranno dedicate al
trattamento con ioni carbonio
di tumori radioresistenti
(
(es.
polmoni,
l
i pancreas, fegato,
f
tiroide, distr.cervicale),
cioè difficilmente aggredibili
con la
l radioterapia
di t
i ttradizionale.
di i
l
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Ognii sessione
O
i
d
durerà
à
20-30 minuti.
A regime (2013?)
si potranno tenere
circa 19000 sessioni
di trattamento all’anno
(6-7 sedute ciascuno
per 3500 pazienti))
Paolo Montagna
Introduzione all’adroterapia
- 22 -
A che punto siamo?
18 gen.2010:
Visita ministri Fazio, Tremonti, Bossi
15 feb.2010:
Inaugurazione “politica”
2010
Qualificazione del fascio:
test di energie e posizionamento nelle sale di terapie
2011
Studio radiobiologico:
irradiazione di cellule animali (sperimentazione su mille topolini)
Fine 2011?
Inizio sperimentazione clinica su 150 pazienti
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Introduzione all’adroterapia
- 23 -
In conclusione…
conclusione
Il CNAO che
h sta
t nascendo
n
nd è uno
n d
deii p
pochi
hi centri
nt i all mondo
m nd
in cui verrà effettuata la terapia oncologica con ioni carbonio.
Vi si p
potranno curare circa 3500 p
pazienti all’anno tra q
quelli
che non hanno molte speranze di guarire con le altre terapie.
Pavia avrà un centro di assoluta eccellenza a livello mondiale
in un ambito scientifico di enorme utilità sociale
ed estremamente multidisciplinare,
dove la Fisica si pone al servizio della Medicina utilizzando
le più sofisticate tecniche dell
dell’Ingegneria
Ingegneria.
Inoltre - non ultimo… - il CNAO offrirà numerosi posti di lavoro
estremamente specializzato e stimolante a molti fisici,
ingegneri, medici oncologi, tecnici di radiologia medica, biologi,…
… e poi dicono che la ricerca scientifica non serve a niente…… mah…!
Questa presentazione è online sul sito http://www.pv.infn.it/~montagn1/
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- 24 -
