L’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare: e la Fisica Medica · L’INFN, Istituto Nazionale di...
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G. Battistoni INFN Milano
L’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare:e la Fisica Medica
L’ottimizzazione nell’impiego delle radiazioni ionizzanti in Medicina: ruolo dello specialista in Fisica Medica
16 novembre 2009
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L’INFN• L’INFN, Istituto Nazionale di Fisica
Nucleare, è l’istituto che promuove, coordina ed effettua la ricerca scientifica nel campo della fisica subnucleare, nucleare e astroparticellare e delle loro applicazioni. Opera in stretta connessione con l’Università e nell’ambito della collaborazione e del confronto internazionale.
• 20 Sezioni, 4 Laboratori Nazionali, 11 Gruppi collegati
• Istituito l'8 Agosto 1951 al fine di proseguire e sviluppare la tradizione scientifica iniziata negli anni '30 con le ricerche teoriche e sperimentali di fisica nucleare di Enrico Fermi.
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Le aree di ricerca dell’INFNLa ricerca di base
Attività sperimentale:- fisica delle particelle con acceleratori (~732 FTE)- fisica delle particelle senza acceleratori,
astroparticelle, onde gravitazionali (~700 FTE)- fisica nucleare (520 FTE)Fisica teorica (~900 FTE)Ricerca tecnologica e applicazioni- Rivelatori- Elettronica- Macchine acceleratrici- Attività interdisciplinare
laboratori nazionalilaboratori internazionali (CERN, Fermilab, GSI, ...)
Iniziative di interesse diretto per fisica medica
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Il patrimonio culturare dell’INFN• Acceleratori di particelle• Rivelatori di particelle• Elaborazione di modelli• Interazione radiazioni-materia• Tecnologia informatica
Tecnologia dei materialiMeccanicaElettronicaCriogenia....
Sofware simulazione/number crunchingManagement di grandi quantita’ di datiRetiCalcolo paralleloCalcolo distribuitoAnalisi dati: pattern recognition...
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Settori Rivelatori, Elettronica e Informatica
Acceleratori Interdisciplinare
FTE 212 60 343Finanziamento
2009 (k€)1302 519 1804
Il settore tecnologico/interdisciplinare dell’INFN• Nel 2009: 608 Ricercatori Full Time Equivalent 584 nel 2007, 504 in media nel periodo 04-06, 384 in media nel periodo 01-03
Nell’’area “Interdisciplnare” sono molte le attività esplictamentedi interesse della fisica medica
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le attività INFN volte all’applicazione della Fisica Nucleare e delle Particelle
alla Medicina• Terapia: Adroterapia e BNCT
• Macchine acceleratrici• Rivelatori e Dosimetria
• Imaging• Sistemi Avanzati di Calcolo e Simulazione
Comm. Scientifica Nazionale V
Progetto Strategico INFN-MEDPer valorizzare le esperienze con un R&D maturo verso
il trasferimento tecnologico industriale/clinico
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•Negli anni ’90 l’INFN ha supportato TERA per i progetti di R&D.
• INFN, in collaborazione con l’Universita’ di Catania, ha realizzato presso i suoi Lab. Naz. Del Sud il primo centro di terapia con protoni italiano: CATANA
• Considerando il know-how dell’INFN soprattutto nel settore acceleratori, l’INFN partecipa alla realizzazione del CNAO
• Nel 2005 l’ INFN è stato incaricato dal Ministro della Salute di produrre un documento sulla prototerapia nel nostro paese.
INFN e Adroterapia
L’INFN considera strategico il coinvolgimento nellaricerca sull’adroterapia con ioni leggeri (12C)
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Pazienti trattati:
~200
a partire 2002
Eye retention rate 95 %
TOTAL SURVIVAL 98 %
LOCAL CONTROL 95 %
CATANACentro di AdroTerapia e Applicazioni Nucleari
Avanzate
Radiologic InstituteUniversity of Catania
Ophthalmologic InstituteUniversity of Catania
INFN-Laboratori Nazionali del Sud
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Il sincrotrone per p e 12C del CNAO
Terminati quasi tutti i tasks della Prima Convenzione INFN-CNAO
Nuovo accordo quadro: 31 marzo 2009
Proseguiranno tasks relativi a:• commissioning della macchina• monitoraggio dei fasci
Prossime attività:• Nuova sorgete per ioni (MISHA)• Collaborazione per attività sperimentazione clinica• Realizzazione area di ricerca
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Energy C, 6Li, HeProtonsSectors
Rpole
<Bo><Bmax>Hill gap
Valley gapRF frequency
Outer DiameterWeight
300 AMeV 260 MeV
4132 cm3.15 T4.2 T
50 mm140 cm97 MHz4900 mm≈ 350 tons
Main ParametersProgettato in base all’estrapolazione dell’esistente
ciclotrone superconduttore
A 300 MeV/n Superconducting Cyclotron for
Ion Beam Therapy
Si sta pensando ad avviare il progetto di un nuovoCiclotrone a 400 MeV in collaborazione con la IBA
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Le sfide per i piani di trattamento per la terapia con fasci di 12C
Nuclear Physics:Fragmentation of Projectile→primary attenuation→lighter fragments with longer range
Radiobiology:RBE of primary and fragments
Dosimetry:Mixed field complexity
Exp. Data (points) from Haettner et al, Rad. Prot. Dos. 2006,Lines: MC simulations (FLUKA)
Possible damage to healthy tissues outside the target volume
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Piani di Trattamento in Adroterapia con Ioni
INFN e univ. Torino / INFN e univ. Milano / INFN e univ. Roma 3/ INFN‐Roma 2 /INFN‐ LNF /INFN‐LNS / INFN e univ. Napoli
Attività mista con:•Fisica nucleare (studio frammentazione)•Radiobiologia•Calcolo Monte Carlo
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Realizzazione del software nell’ambienteindustriale prescelto (Elekta/CMS)
Inserito nell’ Oncology Information System” (OIS) all’interno delsistema MOSAIQ-RTP (Eleckta-CMS)
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Monitoring in adroterapia L’alta selettività fisica della terapia con ioni impone una
maggior precisione nel monitoring del trattamento applicato.
Per questo sarebbe desiderabile avere informazioni in vivo sul range degli ioni, ma il loro completo stopping nel paziente impedisce i metodi usati in radioterapia convenzionale.
Possibilita’:• In-beam PET (DOPET- INFN and University of Pisa)
Protoni:• 16O (p,n) 15O 12C (p,n) 11C
T½15-O=121.8 s T ½ 11-C =1222.8 s
scarsa correlazione spaziale tra attivita’ β+ e profilo della dose
Ioni Carbonio: • X (12C, 11C+n) X X (12C, 10C+2n) X 16O (12C, X)
15O+n 12C (12C, X) 11C +n Τ ½ 10-C =19.3 s
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Prototipo di tomografo PET in-beam
•Two planar heads,each with an active areaof 45 mm x 45 mm•Distance between theheads: 7+7 cm
• LYSO crystal matrix, 21 x 21 pixels 2.152 mm x 2.152 mmeach (Hilger Crystals)•Crystal thickness: 18 mm
• LYSO crystal matrix, 21 x 21 pixels 2.152 mm x 2.152 mm each (Hilger Crystals)•Crystal thickness: 18 mm •64-anode PMT (Hamamatsu)•“multiplexed” read-out electronics: 64-inputs/4 outputs
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Sperimentazione su fantocci omogenei
e feasibility del range monitoring* Vecchio, S. et al, IEEE Conference record 2007, cdrom: m13-61.
* F. Attanasi et al., Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 591 (2008), 296–299
Longitudinal dose profiles
Longitudinal activity profiles
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RivelatoriTHE MOPI ONLINE MONITOR
p beam
x-y ion. strip chambersMOPI
ionization chambers
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Università di Roma “Tor Vergata”INFN – Sezione Roma 2
“S. Filippo Neri” Hospital
INFN – DIARAD Project (2008-2010)
Università Torino
INFN – Sezione Roma 3
Diamond Dosimeter
Single crystal diamond (tissue equivalent)V bias: 0 V (useful for in-vivo applications)Volume: < 0.1 mm3 (much lower than a pin-point IC/small fields)Sens. ~ 4 nC/Gy (about 10 times a pin-point IC)
CVD B-dopedCVD Intrinsic
HPHT substrate
Ag contact
Al contact
Electrons, Photons, Protons
Output
CVD B-dopedCVD Intrinsic
HPHT substrate
Ag contact
Al contact
Electrons, Photons, Protons
Output
•No energy dependence (tissue equivalent)•Limited dose rate dependence (0.98 < Δ < 1.04)•Small dimensions (good spatial resolution)
• Dosimetri SCD sono stati testati con successo inapplicazioni di adroterapia con protoni e ioni carobonio
• Risoluzione e prestazioni vantaggiose anche inapplicazioni IMRT
Development and characteriza-tion of synthetic single crystaldiamond based dosimeters forradiotherapy applications
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ECORADprima realizzazione di un sistema di imaging duale composto dasonda Ecografica e test SPECT miniaturizzata a cristallo LaBr3(Ce)
La collaborazione ECORAD mira a sviluppare una camera duale compatta peracquisire contemportaneamente immagini ecografiche e scintigrafiche.Permettera’ quindi di avere sia informazioni funzionali che morfologiche con lostesso dispositivo
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AIFM09 G. Battistoni 21
MIDdispositivo per la misura della quantità di ferro nel corpo umano sviluppato presso la sezione di Genova e già in operazione presso l’Ospedale Galliera (invece della biopsia).
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.• Gli ultimi risultati (report 2008) indicano che é una terapia
efficace per:•Tumori testa-collo ricorrenti•Glioblastoma ricorrente•Melanoma maligno della pelle e delle mucose.
4 i centri reattoristici oggi attivi in BNCT, 4 di prossima apertura10 i progetti di sviluppo di acceleratori per BNCT, di cui 2 privati,
Attuali elementi di debolezza:Scarsa flessibilità operativa dei reattori oggi utilizzati
Grande incertezza nelle misure e nei protocolli dosimetriciCaricamento non ancora ottimale di 10B nelle cellule tumorali
La BNCT oggi
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Boron Neutron Capture Therapy al reattore di Pavia
Dipartimento di Fisica Nucleare e Teorica Univ. di Pavia and INFN, Italy
WIDEST - ELBA250 KW TRIGA MARK IIOF PAVIA UNIVERSITY
The irradiaton facility
Liver metastases treatment by auto-transplantation method with organ irradiation in a neutron field (ELBA)
Studies to apply BNCT treatment to diffuse lung tumours using external epithermal neutron beams without explantation (WIDEST)
Preliminary studies to apply BNCT treatment to osteosarcoma of the extremities
Policlinico S. MatteoPavia
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IL progetto SPES-BNCTbeam particle: protonbeam energy: 5 MeVbeam current: 30 mAbeam power: 150 kWDuty cycle: 100%
RFQ main specifications
150 kW neutron converter
Per il trattamento del melanoma maligno cutaneo
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Iniziativa per fare il punto
WORKSHOP INFN sulle Sorgenti di neutroni e sulle loro possibili applicazioni
Laboratori Nazionali di Legnaro dell’INFN 17-18-19 Novembre 2009
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ImagingCollaborazione MAGIC-5: INFN e Univ. Genova, Torino, Pisa, Napoli, Lecce, Bari, Univ. Sassari e INFN-Cagliari
Analisi di Immagini MedicaliMammografie per la diagnosi precoce di
cancro al seno (1998 -)
CT Polmonare per la diagnosi precoce di cancro al polmone (2004 -)
MRI Cerebrale per la diagnosi precoce del morbo di Alzheimer (2006 -)
Computing distribuito
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14.5 m1.5m11º
10.0 m 5.4 m
quadrupolesdipoles
Diagnostic 1-6 Undulator modules
Photoinjector solenoidRF sections
RF deflectorcollimator
25º
25º
BeaTSSPARC @ LNF
Thomson back-scattering X-ray sourceQuasi-monochromatic beam
keVE X 80020÷=
Fasci di elettroni + laser
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Possibilità di ottimizzare l’energia per la mammografia Risoluzione spaziale richiesta ~100 μm Flussi elevati ~107 γ/(mm2 s).
Anode Material Molybdenum
Anode Angle 12°
Anodic Voltage 28 kV
Filtrations
1 mm Be 0.03 mm Mo 600 mm Air
65 cm
Sviluppi per la mammografia
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Radiobiologia• Lab. Nazionali di Legnaro• Lab. Nazionali del Sud• ROMA-3 e Univ. Roma 3• INFN e Univ. Federico II, Napoli• ISS (gruppo collegato con Roma 1)• INFN e Univ. Milan• Pavia
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Sistemi Avanzati di Calcolo
Applicazione Monte Carlo• FLUKA• GEANT4
Uso del calcolo distribuito
Piani di trattamento innovativi
Fisica agli acceleratoriRaggi cosmiciFisica del nucleo Shielding
DosimetriaRadioprotezione
Fisica medica: radioterapia, imaging medicale, ottimizzazione, treatment planning, ……
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L’INFN e la possibilita’ di offrirecollaborazione per ricerca al
fisico medico ospedalieroEsempio: collaborazione per simulazioni numeriche avanzata
TARGET
ION CHAMBERS
FLATTENER
JAWS
Medical Linear accelerator head simulationVarian DHX; 6 and 15 MeV for
INFN Milano con R. Moretti e P. Colleoni, Osp. Riuniti di Bergamo
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Simulazione del Gamma Knife® Perfexion™ (Elekta)
INFN Milano con A. Torrsesin e M.G. Brambilla, Osp. Niguarda di Milano e ELEKTA
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Sorgenti
Aria
Unità radianteTungsteno
Collimatori
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2cm
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Grazie per l’attenzione