Evaristo Cisbani Dipartimento Tecnologie e Salute Istituto Superiore di Sanità

1. 21 Novembre 2009 / Ruvo di PugliaConvegnoProtonterapia: il progetto ERHALa terapia con protoni:aspetti tecnologici, fisici e dosimetrici – parte 2 Evaristo Cisbani Dipartimento Tecnologie e Salute Istituto Superiore di Sanità E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici (… uno sguardo allo scanning dinamico e agli aspetti correlati )

2. Scanning Dinamico (3+1)D • Un elemento fortemente caratterizzante un sistema di protonterapia • Attualizza al meglio le potenzialità del fascio di protoni • Massimo beneficio del fascio di protoni con controllo ottimale dei parametri del fascio su ciascun impulso: • Energia (profondità) • Posizione Laterale (direzione) • Intensità (dose istantanea rilasciata) E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici G. Coutrakon et al PAC1999 pg.11 • Terapia altamente conformazionale

3. Scanning Dinamico / Benefici rispetto a sistemi passivi • Maggiore flessibilità del piano di trattamento • Minore produzione di particelle di fondo (meno neutroni secondari) • Indicato per trattamenti pediatrici • Dose tipica nei tessuti sani ~10 volte inferiore • Minore attivazione dei componenti del fascio • Si evita la realizzazione di assorbitori ad hoc per il paziente E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici

4. Scanning Dinamico / Complicazioni • Maggiore flessibilità, ma anche maggiore rischio di coinvolgere regioni sane • Maggiore attenzione al motion management (necessità di repainting), immobilizzazione, beam gating, motion tracking • Richiesta dettagliata conoscenza delle disomogeneità del volume coinvolto (in generale per protoni) • Differente approccio al TPS (più gradi di libertà) • Beam delivery più sofisticato • Monitoraggio fascio real-time con feedback • Protocollo di calibrazione e controllo di qualità più complesso E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici

5. Scanning Dinamico / Impatto su E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici + sistema di delivery, ….

6. Competenze Specifiche @ ISS / Dip. Tesa • Biofisica delle radiazioni ionizzanti • Piani di trattamento • Dosimetria • Diagnostica di fascio • Imaging • ISS realtà multidisciplinare che opera per la tutela della salute pubblica • Competenze impiegate/approfondite nell’ambito del progetto TOP (Terapia Oncologica con Protoni) avviato dall’Istituto nel 1992 in collaborazione con: Fondazione TERA / ENEA / IRE Rapporto ISTISAN 2004/40 ( http://www.iss.it/publ) E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici

7. CN 1Gy/20 min Radiobiologia con protoni @ ISS Studi collegati alla sterilizzazione del tumore Studi collegati agli effetti sui tessuti sani irradiati Studi collegati a meccanismi di tipo bystander Valutazione dell’RBE per i diversi end point biologici Migliorare i piani di trattamento Sviluppo di test predittivi della risposta al trattamento radioterapeutico • Induzione e riparazione del danno al DNA • Induzione di micronuclei • Effetto letale in cellule direttamente irradiate e nella loro progenie E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici • Individuare possibili marker molecolari di danno genotossico predittivi del danno cellulare • Valutare correlazioni tra danno cellulare, danno cromosomico e danno molecolare Studi pioneristici su effetti biologici dei protoni dagli anni 80

8. Simulazione del trasporto del fascio lungo la linea utilizzando il codice di calcolo TRACE e il codice Montecarlo SRIM 15 y(mm) Em = 6940 keV s = 48 keV 0 300 200 -15 -15 0 15 Count z(mm) 100 0 6800 7100 6900 7000 E(keV) Distribuzione di energia del fascio estratto in aria Vista trasversale del fascio estratto in aria Radiobiologia con protoni / Requisiti Fascio di protoni per esperimenti in vitro e in vivo: 1) Fascio estratto in aria praticamente monoenergetico (FWHM / Em < 0.03) 2) Uniformità del fascio su un’area circolare con diametro compreso fra 60 mm e 30 mm tale che le variazioni di dose siano minori di ± 10%. 3) Fascio orizzontale per un certo numero di energie E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici La divergenza del fascio estratto in aria deve essere minore di 35 mrad 4) Intensità di corrente del fascio estratto variabile nell’intervallo 0.1 pA ai 1 nA. Rateo di dose (0.1 – 20) Gy/min 5) Possibilità di irraggiamento con fascio verticale (dal basso verso l’alto) delle colture cellulari

9. Piani di Trattamento @ ISS • Simulazioni Monte Carlo per verifiche dosimetriche, benchmark di sistemi commerciali per TPS, collaborazione allo sviluppo di un TPS dedicato • Software framework per simulazione (interfaccia web, DICOM, computing) • Facility in ISS: • Cluster di calcolo per applicazioni distribuite e parallele • Esperienza nello sviluppo di codice Monte Carlo GEANT4 e di tecniche di ottimizzazione in radioterapia • Sistemi per calcolo intensivo su GPU E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici Necessità di diffusione del calcolo complesso in ambito ospedaliero

10. Dosimetria @ ISS Camere a ionizzazione a piani paralleli(sistema più diffuso per dosimetria di riferimento) Sistema dosimetrico alanina/EPR Diodo al silicio Diamante naturale e sintetico Dosimetria a termoluminescenza Film Gafcromici Sviluppo e caratterizzazione di sistemi per dosimetria assoluta e relativa di fasci di protoni: • Calorimetro ad acqua (coll. ENEA)Sistema di elezione per la misura di dose assoluta (può rappresentare un campione primario) non di facile operazione e configurazione; si ricorre pertanto a sistemi secondari: E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici Richieste: accuratezza <5%, precisione <2%

11. Monitor per diagnostica di fascio / Requisiti • Real-Time • Risposta rapida (tra impulsi) • In grado di fornire feedback al sistema di controllo • Buona risoluzione spaziale (< millimetro) • Ampio range dinamico • Buona sensibilità • Minimo materiale • Modesto ingombro (va posta vicino al paziente) E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici

12. Camera a ionizzazione per diagnostica Intende fornire: posizione, direzione e profilo di intensità del fascio (indirettamente la dose che si sta per rilasciare) Prototipo 1 E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici • Pad-like x/y readout con pitch 600 mm • Sensibilità e ampio range dinamico: 1 fC × 104-105(elettronica dedicata a portata multipla con multiplex) • Rapida acquisizione e elaborazione del segnale (<1 ms)

13. Diagnostica / risultati sul prototipo 0 Elettronica discreta con trans-impedenza Q/V e tecnica multiportata Provvede un range dinamico di almeno 1 ordine di grandezza superiore ad un rateometro (nei tempi tipici dell’impulso del fascio del linac TOP di qualche decina di microsecondi) > 4 ordini di grandezza 0.03 E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici Carica Iniettata (pC) Prototipo 0 Cambio portata In corso di realizzazione versione compatta per camera a micropattern Errore Relativo (%) Risposta (u.a.)

14. Imaging / Validazione del trattamento E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici

15. In conclusione(ovvero da dove iniziare) • Tanto più localizzato è il rilascio di dose, tanto più precisi debbono essere gli strumenti per la sua pianificazione, controllo e verifica • Un sistema di protonterapia in grado di competere con le tecniche più avanzate di radioterapia convenzionale deve integrare un sistema dinamico di rilascio del fascio • L’utilizzo ottimale di un tale sistema richiede lo sviluppo e “fine tuning” di un gran numero di componenti fondamentali: TPS, Radiobiologia, Dosimetria, Diagnostica, Sala Trattamento, Imaging … E. Cisbani / Aspetti fisici e dosimetrici