Lacceleratore lineare TOPIMPLART per protonterapia Concetta Ronsivalle ENEA

L’acceleratore lineare TOPIMPLART 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 q Acceleratori per protonterapia q Il Progetto TOP-IMPLART q L’acceleratore di protoni TOP-IMPLART q Layout attuale q Attività sperimentale q Sviluppi q Conclusioni

La protonterapia Vantaggi della protonterapia rispetto alla terapia con fotoni: Selettività spaziale Dose più bassa agli organi sani circostanti 7 campi con IMRT Mutuando le tecniche radioterapiche più avanzate (IMRT) con fasci di fotoni, si possono ottenere con i protoni concentrazioni di dose ancora più conformi (IMPT). 2 campi con IMPT IMRT-IMPT

Acceleratori per protonterapia PTCOG STATISTIC (www. ptcog. ch): Total facilities in operation 48 Patient statistic (end 2013): Total for all facilities (in and out operation): 122449 105743 (only protons) Ciclotroni 28 Ion Centers 8 Proton Centers 40 Sincrotroni 11 Sincrociclotroni 1

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 durata PRICE FOOTPRINT COST PER TREATMENT PATIENTS PER YEAR PHOTONS 2 -3. 5 MUSD 100 m 2 400 Euro PROTONS 20 -35 MUSD 200 -400 m 2 1000 Euro 2. 500. 000 12. 000 M. Schillo (Varian) Conf. IPAC 14

Acceleratori per protonterapia Macchine alternative a ciclotroni e sincrotroni: q. Sincrociclotroni compatti MEVION S 250 q FFAG q FULL LINAC (Progetto TOP-IMPLART) q CYCLINAC q Dielectric wall accelerators q Sorgenti laser

Il Progetto TOP-IMPLART Obiettivo: Realizzazione di un centro di protonterapia basato su un acceleratore di protoni completamente lineare fino a 230 Me. V 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 Me. V da installarsi presso l’IFO dopo essere stato provato presso ENEA- Frascati: q 2010: siglato l’accordo tra ENEA, ISS, IFO e Regione Lazio q inizio 2013: start-up del Progetto con un finanziamento di 2. 5 M€ q giugno 2014: erogazione di ulteriori 2 M€ Coinvolgimento industrie nazionali (prevalentemente laziali): CECOM, NRT R&D, SIT, TSC

Il Progetto TOP-IMPLART Prototipo finanziato dalla Regione Lazio Sito di test: CRE ENEA-Frascati Ed. ex SINCRO

Origini del Progetto TOP (Terapia Oncologica con Protoni)-IMPLART (Intensity Modulated Proton Linear Accelerator) q 1993: Il Laboratorio Acceleratori ENEA partecipa alla collaborazione Adroterapia (Amaldi) Coupling Cavity q 1994 -1995: Invenzione PMQ della struttura SCDTL a 3 GHz per protoni di bassa energia (Brevetto ENEA) Accelerating q 1996: Proposta di un acceleratore lineare innovativo da 200 Me. V in collaborazione con TERA/CERN SCDTL Tank RF input

Origini del Progetto 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 GHz 2005 -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). SCDTL

LINAC TOP-IMPLART: sezione bassa energia q Iniettore commerciale ACCSYS-HITACHI (frequenza di operazione 425 MHz), modello PL 7: Sorgente duoplasmatron (30 ke. V)+RFQ (3 Me. V) +DTL (7 Me. V). Modificato per operare a bassa corrente q LEBT verticale (include un magnete a 90 gradi) dedicata a esperimenti di radiobiologia q LEBT orizzontale (4 quadrupoli elettromagnetici)

Layout attuale: l’iniettore C B A D A) Source B) RFQ C) DTL D) RF supply lente 1. Sorgente con limitatore di corrente (diaframma) Imax=150 u. A 2. Intensità variabile tramite una lente elettrostatica prima dell’RFQ che attualmente si sta rendendo pulsata

Layout attuale: linea verticale Holder di acciaio ( =13 mm) contiene cellule (spessore 6µm ) su Mylar (spesso 60µm) con il loro terreno di coltura 69 cm Magnete a 90° Finestra di Kapton 50 µm Lamina d’oro da 2 µm Collimatore di alluminio ( =2 mm) Linea dedicata a esperimenti di radiobiologia “in vitro”

Attività sperimentale: radiobiologia Irraggiamento di cellule V 79 al variare della dose (0. 5 -8 Gy) per diverse energie del fascio e “dose rate”. Primi test: Energia=5 Me. V (LET=7. 7 ke. V/µm) frip=6. 25 Hz Dose rate=2 Gy/min Dosimetria con pellicole gafcromiche EBT 3

Attività sperimentale: radiobiologia POSTER

LINAC TOP-IMPLART: sezione media energia (7 -35 Me. V) 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.

Layout attuale: modulo SCDTL-1 Numero di tanks 9 acceleranti Lunghezza 1. 1 m Raggio del foro 2 mm di passaggio dei protoni Potenza in 1. 3 MW ingresso Energia iniziale 7 Me. V Energia finale 11. 6 Me. V realizzato da CECOM (Guidonia) PMQ tank PMQ smontabili interno tank

Attività sperimentale: test acceleratore alta frequenza (modulo SCDTL-1) Output beam current Spot del fascio di protoni all’uscita di SCDTL-1 10 mm

Attività sperimentale: test acceleratore alta frequenza (modulo SCDTL-1) il 43% del fascio in uscita ha una energia superiore a 11 Me. V. Il picco è attorno a 11. 63 Me. Va 11. 6 Misura di energia tramite misura range in Al (curva di trasmissione vs spessore crescente di Alluminio) Corrente accelerata= 15 µA

LINAC TOP-IMPLART: sezione alta energia (35 -150 Me. V) 4 moduli di tipo CCL (Coupled Cavity Linac) ciascuno alimentato da una singola unità RF (klystron da 10 MW) Varie strutture CCL sono state costruite in ENEA e impiegate per linac a elettroni. Per acceleratori di protoni modelli sono stati sviluppati da TERA e INFN-Napoli a 60 e 30 Me. V. La società ADAM, spin-off del CERN ha costruito un modulo a 30 Me. V

LINAC TOP-IMPLART: sezione alta energia (35 -150 Me. V) 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 Me. V spegnendo le s Singole unità RF e variando la potenza nell’ultimo modulo acceso

Caratteristiche e peculiarità q Acceleratore pulsato (durata impulso: 4 µsec) naturalmente adatto alla IMPT: XYZ scan e possibilità di variare la corrente da impulso q Frequenza di ripetizione: (tipica) 100 Hz (max 200 Hz) q Carica 3· 108 – 106 protoni/impulso q Variazione rapida di energia (limitata dalla velocità dei magneti) q Perdite di corrente a bassa energia q Fascio di alte qualità ottiche -> Magneti più compatti

Caratteristiche e peculiarità q 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. q TECNOLOGIA A 3 GHz A PARTIRE DA 7 MEV: Compattezza e tecnologia già nota q 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 Me. V Metà 2015: 35 Me. V. Verifica da parte della commissione individuata dalla Regione Lazio del raggiungimento della milestone stabilita (energia attorno a 30 Me. V) per erogazione terza “tranche” (€ 6. 5 M) Metà 2016: energia di interesse clinico Metà 2017: 150 Me. V.

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

Conclusioni Primi risultati dell’attività sperimentale relativa alla realizzazione del prototipo dell’acceleratore TOP-IMPLART: q Messa in opera della linea verticale, precise calibrazioni delle pellicole Gafcromiche EBT 3 e primi irraggiamenti di campioni biologici q Allineamento, test di accelerazione da struttura SCDTL fino a 12 Me. V Il Progetto TOP-IMPLART consentirà lo sviluppo di nuove tecnologie finalizzate q alla effettuazione di IMPT e scanning attivo 3 D q all’effettuazione di ricerca radiobiologica e radioclinica q alla riduzione dei costi di impianto e dell’impatto economico e ingegneristico q all’utilizzo di nuove tecnologie sfruttando le realtà già operative nel campo della IORT

Layout attuale LINEA RADIOBIOLOGIA 3 -7 Me. V 11. 6 Me. V SCDTL-1 iniettore