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APOTEMA A ccelerator-driven P roduction O f TE chnetium/ M olybdenum for medical A pplications Responsabile Naziona

diretta: 100 Mo (p,2n) 99m Tc indiretta: 100 Mo (p,x) 99 Mo  “generatore” 99 Mo/ 99m Tc. Produzione Tc-99m. APOTEMA A ccelerator-driven P roduction O f TE chnetium/ M olybdenum for medical A pplications Responsabile Nazionale: Juan Esposito, LNL. OBIETTIVO GENERALE :

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APOTEMA A ccelerator-driven P roduction O f TE chnetium/ M olybdenum for medical A pplications Responsabile Naziona

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Presentation Transcript

  1. diretta:100Mo(p,2n)99mTc indiretta:100Mo(p,x)99Mo “generatore” 99Mo/99mTc Produzione Tc-99m APOTEMA Accelerator-driven Production Of TEchnetium/Molybdenum for medical Applications Responsabile Nazionale: Juan Esposito, LNL OBIETTIVO GENERALE: Sviluppo di bersagli di potenza per la produzione, mediante acceleratori, di Mo-99 e Tc-99m per uso diagnostico nella medicina nucleare SEZIONI PARTECIPANTI (Resp. Locale) LNL, Juan Esposito FE, Mauro Gambaccini MI, Mauro Bonardi PD, Paolo Rossi

  2. 99mTc: why so important? 2 • Massively used in nuclear medicine as specific pharmaceuticals labeling agent: ~25 million medical diagnostic investigations performed worldwide (>80% out of total) every year. USA the greatest user (~65% world demand), mainly for heart tests. • Ideal radionulcide for imaging: - parent nuclide (99Mo) relatively long half-life (66 hrs) 99mTc - 99mTc relatively short half-life (6 hrs), 143 KeV  emission99Tc - daughter nuclide (99gTc) very long half-life 2.15x105 yr (~stable) (minimum dose to patient and medical operators) • Cheap (…right now)

  3. 87.6% events 99Mo Simplified 99Mo decay chain b- decayT1/2 = 65.94 hr 12.4% events 99mTc g transitionT1/2 = 6.01hr 99gTc b-decayT1/2 = 2.1 X 105 yr 99Ru (stable)

  4. 99mTc may be linked to many molecules with high uptake selectivity in biomedical research.An example: Gamma‐Ray Scintigraphy by 99mTc

  5. The current massive production method of 99Mo 235Uσ(n,f) = Maxwell avg. at 0.0253 eV = 506.8 b Fission spectrum avg. = 1.235 b Fission yield for thermal neutron fission of U-235. 99Mo 6% HEU (Highly Enriched Uranium), weapon-grade (>80 wt% 235U) is used. Under the strict IAEA control to avoid the proliferation on nuclear weapons. Recent tests to use LEU (Low Enriched Uranium) (<20 wt% 235U): Problems to get purity levels requested by separation from transuranic actinides (Pu, Am, Cm) Production efficiency: As  80-100 Ci/g 235U. Current World demand: 12,000 Ci/week (6-Day Curie)

  6. 99Mo/99mTc generators The cost for a 99m Tc patient dose (~30 mCi) in hospital is generally less than 15€ (but this cost is rising). The cost of neutron irradiation inside reactors of the target is today less than 1€. The physics process is therefore ~5% only of the final product cost Plot of typical Mo-99 and Tc-99m activity on a logarithmic scale versus time for multiple elution of a technetium generator.

  7. Main 99Mo world suppliers (*) Data referred to the period before the unscheduled NRU reactor stop

  8. Nuclear Research Reactors currently used by Large-Scale producers of 99Mo

  9. The origin of 99Mo production crisis May 2008 MAPLE -1,2 program failure two new reactors dedicated to 99Mo mass production to replace the old NRU reactor next to being permanently shut-down. Construction completed in year 2000. Commissioning phase not passed Consequences: non-compliance with safety rules of Canadian Nuclear Safety Commission’s (CNSC). High costs required for necessary changes Final Result: reactors closed, project abandoned in 2008 May 2009 Stop operation for the old NRU reactor for extraordinary (non scheduled) repairs because of vessel (calandria) loss of D2O. The re-opening, originally scheduled a few weeks later, was first moved in March 2010, then postponed to early August 2010. The reactor is currently running….but such a stop started customers to think about alternative arrangements.

  10. Possible alternative solutions Are basically the following: • To wide the number of reactors: - FMR II (Germany); - RJH (France) - PALLAS (Netherlands) are foreseen to increase the 99Mo mass production in Europe. Additional minor productions in reactors located in Poland, Belgium, Czech Rep., Romania. IAEA suggests to get a wide number of reactors to reduce/maintain production cost. • Use of Low Enriched Uranium (LEU) (<20% 235U enrichment) instead of HEU in order to avoid the strict IAEA control/restrictions on HEU for nuclear weapon proliferation • Use of alternate, more flexible production routes based on accelerators

  11. Accelerators available at INFN-LNL for a possible 99Mo/99mTc production • Two new proton accelerators having complementary features will be available at the Legnaro National labs in the next years: • Radio Frequency Quadrupole (RFQ)+Drift Tube Linac (DTL) already developed for LINAC4 project at CERN: beam energy fixed, beam current variable • Ep = 5  25 MeV • Ip = 1.5 mA, 3% duty cycle (50 mA peak current) • H+ • Cyclotron: both beam energy and current variable • Ep = 35-70 MeV • Ip = 500 μA max • H+

  12. 100Mo(p,pn)99Mo 100Mo(,n)99Mo 98Mo(n,)99Mo 100Mo(n,2n)99Mo 100Mo(p,2n)99mTc 98Mo(d,n)99mTc 98Mo(p,)99mTc Alternative 99Mo/99mTc production routes using accelerators parent 99Mo production 99Mo T1/2 = 66 h direct 99mTc production 99mTc T1/2 = 6 h Isotopic natural abundance 98Mo: 24,1 % Monat 100Mo: 9,6%

  13. 100Mo(p,pn)99Mo 100Mo(,n)99Mo 98Mo(n,)99Mo 100Mo(n,2n)99Mo 100Mo(p,2n)99mTc 98Mo(d,n)99mTc 98Mo(p,)99mTc Possible 99Mo/99mTc production routes using LNL accelerators parent 99Mo production 99Mo T1/2 = 66 h Productions expected by neutron capture reactions have shown to be not competitive by preliminary estimations taking into account a neutron source driven by both accelerators proposed direct 99mTc production 99mTc T1/2 = 6 h Isotopic natural abundance 98Mo: 24,1 % Monat 100Mo: 9,6%

  14. Feasibility study on direct 99Mo/99mTc production based on the SPES cyclotron 100Mo-enriched sample Proton beam Ep=40-70 MeV (or degraded to 25 MeV) Ip =500 A max • The following irradiation conditions have been investigated to assess both nuclides production, all based on the hypotheses of either a thick-target, or thin-target irradiations on 100Mo enriched samples: • Ep= 40 MeV Ip=500 μA 99Mo production • Ep= 70 MeV Ip=500 μA • Ep= 40 MeV Ip=500 μA 99mTc production • Ep= 25 MeV Ip=500 μA

  15. 99Mo / 99mTcIn-target production expected, EOB (12 hrs beam /day): thick / thin samples

  16. Progettazione e realizzazione prototipo/i bersaglio di potenza (NATMo)  test termomeccanici (densità potenza media ~ 500 W/cm2) Irraggiamento campioni (100Mo arricchito 99.5%)  misure sperimentali di produzione, contaminanti e sezioni d’urto (es. Tc-99g) Target • Breve termine (2012): • Realizzazione prototipo/i del bersaglio. • Test imaging in vivo con Tc99m spillato da generatori Mo/Tc a tempi >24 hr per determinare valore massimo del rapporto Tc-99g/Tc-99m per cui si hanno ancora analisi scintigrafiche valide • Medio termine (2013): • Test termomeccanici e affidabilità bersagli di potenza presso centro ARRONAX (Nantes) • Misure sperimentali di produzione 99Mo e contaminati. Ottimizzazione processamento radiochimico, resa nuclidica ( contaminanti !!). • Lungo termine (2014): • Misure sperimentali di produzione per Tc99m • Ottimizzazione processamento radiochimico, resa nuclidica ( contaminanti !!). • Misure sperimentali di produzione del Tc99g TANDEM-XTU (LNL), e validazione delle sezionid’urto teoriche (TENDL2009). NO DATI SPERIMENTALI Attività sperimentali OBIETTIVI del PROGETTO APOTEMA

  17. Ruolo dei Lab. Naz. Legnaro 1°anno APOTEMA (2012): • Progettazione del/ prototipo/i del bersaglio di potenza (per la produzione di Mo99/Tc99m in condizioni ottimizate). • Realizzazione del prototipo/i del bersaglio • Partecipazione e supervisone alle attività sperimentali ed analisi dati • Finanziamenti richiesti dai LNL (2012): • 2 k€ MISSIONI INTERNE • 2 k€ MISSIONI ESTERE • 26 k€ CONSUMO: Acquisto materiale a purezza nucleare per la realizzazione del/i porta bersaglio/i non essendo dei componenti "usa e getta" • TOTALE 30 k€

  18. Ruolo della sezione di Ferrara 1°anno APOTEMA (2012): • Studio delle sezioni d'urto delle reazioni con protoni a diverse energie per la produzione di Mo-99 e Tc-99m (analisi dei contaminanti, es. Tc-99g) • Valutazione del degradodell'immagine SPECT su piccoli animali al variare del rapporto Tc-99m/Tc-99g in imaging planare della tiroide con collimatore pin-hole (collaborazione con INFN-Pd) • Sviluppo di un sistema di conteggio betain fase liquida per la quantificazione del rapporto di produzione Tc-99m/Tc-99g (misura sperimentale della sezione d’urto 100Mo(p,2n)99gTc) • Finanziamenti richiesti dalla sezione di Ferrara (2012): • 5 k€ MISSIONI INTERNE • 5 k€ INVENTARIABILE (Sistema di conteggio β-) • 6 k€ CONSUMO: Fantocci e strumentazione per imaging su piccoli animali; Provette e scintillatori liquidi per conteggio β- • TOTALE 16 k€

  19. Ruolo della sezione di Padova 1°anno APOTEMA (2012): • Valutare l’assorbimento fisiologico tiroideodel pertecnetato in modelli animali (topi), la relativa risoluzione spaziale ottenibile e la migliore definizione della dose tiroidea, con misure scintigrafiche presso il Laboratorio di Radiofarmaci e Imaging Molecolare” (LRIM) dell’Università di Padova sito presso i LNL. • Tale laboratorio è abilitato all’uso di radioisotopi in fase liquida e alla sperimentzione animale (in collaborazione con la Facoltà di Veterinaria e il Dipartimento di Oncologia dell’Università di Padova). • Finanziamenti richiesti dalla sezione di Padova (2012): • 3 k€ MISSIONI INTERNE • 6 k€ INVENTARIABILE Potenziamento strumentazione (camere Yap e Compton) • 6 k€ CONSUMO: Acquisto di generatori Mo/Tc per produrre di Tc99m in situ. Materiali elettronici e meccanici per adattamento dei rivelatori di raggi gamma esistenti per scintigrafia animale per questo tipo di misure • TOTALE 15 k€

  20. Ruolo della sezione di Milano 1°anno APOTEMA (2012): • Misure sperimentaliper la determinazione quantitativa della produzione di Mo-99 e radionuclidi contaminanti, valutazione della purezza radionuclidica al termice del processo di separazione radiochimico mediante irraggiamento di campioni di 100Mo arricchitopresso centro ARRONAX (Nantes). • Misure sperimentaliper la determinazione quantitativa della produzione di Tc-99m e radionuclidi contaminanti, valutazione della purezza radionuclidica al termice del processo di separazione radiochimico mediante irraggiamento di campioni di 100Mo arricchitopresso TANDEM-XTU (LNL), TANDEM-Alpi (LNL). • Finanziamenti richiesti dalla sezione di MIlano (2012): • 2 k€ MISSIONI INTERNE • 5 k€ MISSIONI ESTERE • 4 k€ CONSUMO • TOTALE 11 k€

  21. RIEPILOGO GENERALE

  22. PROGETTO APOTEMA: Distribuzione FTE partecipanti al progetto

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