Techniki Jądrowe w Diagnostyce i Terapii Medycznej Wykład 12, 26 maja 2015 Zygmunt Szefliński Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów szef@fuw.edu.pl http://www.fuw.edu.pl/~szef/
Od fizyki wysokich energii do fizyki jądrowej Obliczenia i analiza danych Protokół www stworzony w CERN (1989) Monte Carlo kody transportu: FLUKA i GEANT GRID sieć obliczeniowa stworzona dla obróbki dużej ilosci danych z LHC Akceleratory ACCEL Instruments nadprzewodzące magnesy (transfer technologii z CEA Sacley i CERN dla LHC) Detektory Komory wielodrutowe (Charpak), detector y gazowe, nowe scyntylatory CERN pierwszy protokół www Koordynacja wielkich projektów CMS skupia 4300 fizyków, inżynierow i techników 250 MeV Comet first superconducting cyclotron for proton therapy (ACCEL)
Fizyka dla tererapii jonowej dokąd idziemy Akceleratory i gantry - Nadprzewodzące cyklotrony!!! - Acceleratory sterowane laserem? Pozycjonowanie i weryfikacja - Weryfikacja dawki za pomocą PET - Tomografia protonowa Dozymetria i kontrola jakości - Dozymetria 2D i 3D Robert R. Wilson, 1946
Range/ cm Akceleratory jakiej energii wiązki potrzebujemy? 100 proton tomography arbitrary organ 10 eye 1 1. E: 60 MeV- 350 MeV 2. I: 1 na - 500 na 0.1 100 1000 Energy/MeV
Dedykowane akceleratory dla terapii protonowej Zasada działania cyklotrony synchrotrony synchrocyklotrony B= const f = const d ~ 4-5 m P = 500 kw B= var f = var d ~ 20 m P = 150-200 kw B= const f = var d ~ 1.5-2 m P = 50 kw
Dedykowane akceleratory dla terapii protonowej Przykłady IBA Proteus C-235 cyklotron IFJ PAN, Krakow Beam energy: 70-230 MeV Classical magnets Electrical power: 650 kw Hitachi synchrotron MD Anderson, Huston Beam energy 70-250 MeV Beam pulse: 0.5 5 s
Dedykowane akceleratory dla terapii protonowej Nowe rozwiązania 1. Nadprzewodzący synchrocyklotron - Proteus-One z małym gantry IBA - MEVION -Medical. 2. Akcelerator z dielektrycznymi scianami - w opracowaniu IBA, Nice, Dec. 2014 3. Acceleratory sterowane laserem - demonstracja zasad fizycznych MEVION at the S. Lee Kling Center for Proton Therapy at Barnes-Jewish Hospital, Dec. 2013
Dedykowane akceleratory dla terapii protonowej Generacja wiązki protonowej impulsami laserowymi Victor Malka, COULOMB 09, ICFA workshop, June 8-12 (2009) Laser intensity in pulse: 10 19 10 21 W/cm 2, Electrical field induced by ejected electrons: 10 13 V/m Proton energy: 1-200 MeV
Dedykowane akceleratory dla terapii protonowej Pierwsze rezultaty V. Malka et al., Appl. Phys. Lett. 83, 15 (2003), Med. Phys. 31, 6 (2004) Robson et al., Nature Physics 3 (2007) Jest : szeroki rozkład widmowy Trzeba : 200-250 MeV, monoenergetyczne
Słabe strony terapii protonowej - niepewność zasięgu Niejednorodność tkanki prowadzi do niepewności zasięgu. Zdolność hamująca zależy od energii protonów.
Niepewność zasięgu - kalibracja z użyciem DECT 1. Proton Stopping Power Ratio, SPR, scaled vs. HU 2. HU są związane z gęstością elektronową, SPR to potencjał jonizacyjny 3. SPR nie jest jednoznaczną funkcją HU Rozwiązanie: redukcja niepewności przy użyciu Dual Energy Computer Tomography (DECT)
Niepewność zasięgu weryfikacja z użyciem indukowanej radioaktywności b + Tomograf PET mierzy indukowaną protonami aktywność b + w tkance
Niepewność zasięgu weryfikacja z użyciem indukowanej radioaktywności b + Cross section for induction of b+ isotopes by protons in tissue does not overlap with the energy deposition (Bragg peak) Therefore depth distribution of induced activity does not mimic the Bragg peak. The distal edge of the Bragg peak can be assessed. J.J.Beebe-Wang, 2002
Niepewność zasięgu weryfikacja z użyciem bezpośrednich kwantów gamma Monte Carlo simulations B. Kang, J. Kim, IEEE Nucl. Sci. 2009
Terapia protonowa w Krakowie
Czerniak oka: - Nowotwór złośliwy, - Rośnie w gałce ocznej - Głównie w populacji białych, Czerniak oka Radiotrapia protonowa oka najskuteczniejsze leczenie wyleczenia > 90% W Europie 7 centrów PT oka - Berlin, HMI, D - Catania, INFN, I - Orsay, Inst. Curie, F - Nice, F - Claterbridge, UK - PSI Villigen, CH - IFJ PAN Kraków, PL Eye melanoma cancer USG of eye cancer
Metoda naświetlań oka protonami T. Kajdrowicz, M. Bajer Ocular Treatment Planning System Eclipse First ocular code with FDA approval
Cyklotrony w IFJ PAN - first cyclotron developed in Poland, 48 cm (1955) -Soviet built classical U-120 (opened 22.11.1958, stopped 1994), 12 MeV deuterons -isochronic AIC-144 developed at IFJ PAN (from 1995) 60 MeV protons - IBA Proteus C-235 230 MeV protons (start of operation Dec 2012) AIC -144, 1995
IFJ PAN pokój terapii oka Therapy room developed at IFJ 2006-2009 in collaboration TJwDTM with - Helmholtz Wykład 12 Centre, Berlin
a. u. a.u. Parametry wiązek do terapii oka 1,1 1,0 0,9 0,8 27,8 mm 28,15 mm 28,27 mm 1.1 1.0 0.9 0.8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 FWHM = 2,94 mm Max/Plateau = 4,97 29,08 mm 0,0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 range in H 2 O [mm] 25,75 mm (90%-10%)=0,71 mm 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 25,06 mm 1,18 mm 1,19 mm 0.0-25 -20-15 -10-5 0 5 10 15 20 25 distance [mm] PT centre Range [mm] Max/plateau F.W.H.M. [mm] Distall fall-off d 90%-10% [mm] CATANA 30.60 4.68 3.29 0.81 CCO 31.0 4.85 3.65 0.80 PSI 30.0 4.47-1.10 IFJ 28.4 4.97 2.94 0.75
Regularne terapie oka od kwietnia 2013 The first patient treated in February 2011 From April 2013 the eye proton therapy financed by the National Health System 50 patients treated till April 2014
Polska w Unii Europejskiej Wejście do UE 1 Maja, 2004 W latach 2007-2013 60 mld. przeznaczono na unowocześnienie infrastruktury w ramach Funduszy Strukturalnych 1.3 mld. na infrastrukturę w nauce i technologii
Narodowe konsorcjum Radioterapii Hadronowej NCRH Założone: 12.09.2006 IFJ PAN Kraków coordinator Akademia Górniczo-Hutnicza Center of Oncology, Gliwice Center of Oncology, Krakow Center of Oncology, Poznań Center of Oncology, Warsaw Collegium Medicum UJ, Kraków Holycross Center of Oncology, Kielce Jagiellonian University, Kraków Medical University, Warszawa, National Center of Nuclear Research, Warsaw Silesia University Warsaw Polytechnic Warsaw University
Project of the National Centre of Hadron Radiotherapy- Bronowice Cyclotron Centre (NCRH -CCB) Part 1 Cyclotron : - building + Proteus C-235 cyclotron - funds: ~ 27 M - the project ready till Dec 2012 - vendor: contract signed with Ion Beam Application (IBA), Belgium Part 2 Gantry - medical building + 2 proton gantries - funds: ~ 33 M - project signed in Nov. 2011 - Gantry 1 ready in May 2014 - Gantry 2 in Sept. 2015 Signing the contract for the Part 1 IFJ PAN IBA 2 August 2010
Harmonogram budowy NCRH CCB - signing of the contract 08.2010 - start of the construction 03.2011 - installation of the C-235 cyclotron 05.2012 - acceptance tests 11.2012 - medical building and gantry 1 05.2014 - installation of gantry 2 06.2015 - end of the contract 09.2015
Cyklotron dla NCRH- CCB
Schemat pomieszczeń NCRH-CCB Centrum Cyklotronowe Bronowice rzut partru Gantry 2 Gantry 1 Eye treatment Exp. area Cycl o vault Medical building Utility rooms Laboratories
Cyklotron i selektor energii Ion Beam Applications S.A. (IBA), Louvain-la-Neuve, Belgium cyclotron: isochronic, 4-sectors, CW particles ion source: protons P.I.G with hot cathod proton energy: 230 MeV (b = 0.596, g = 1.245), constant energy dispersion: E/E < 0.7% beam intensity: emmitance 600 na (4 x 10 12 p/s) 0.1 na (6 x 10 8 p/s) horizonthal - 11 p mm mrad,
Selector energii protonów Energy selector 70-230 MeV E/E < 1 % Beryllium absorber for changing the beam energy
System rozprowadzenia wiązki
Gantry IBA w IFJ PAN BG2 Source Axis Distance SAD-X - 1848.1 mm SAD-Y - 2229.0 mm BG1 Radius of the bending magnet: r = 1468.5 mm Range (g.cm - B1G2 B2G2 Energy (MeV) 2 ) Current (A) Field (T) Current (A) Field (T) 98.40 4.00 155.39 0.81772 165.39 0.84105 140.10 14.00 226.54 1.17675 239.75 1.20743 191.09 24.00 279.06 1.38966 292.37 1.42410 230.22 33.00 332.45 1.54071 343.86 1.57598
Stanowiska gantry realizacja Pomieszczenie gantry w NCRH-CCB Spot scanning: stop & shoot Proton range: 0 do 32 g/cm 2 2 spot sizes : σ = 2.7 mm i σ = 4 mm Volumetric repainting Maximal field: 30 x 40 cm 2 Gantry rotation 360 6 degrees of freedom of the positioning system
Aktywne sterowanie wiązką wiązka skanująca
Wiązka rozproszona vs. skanująca Proximal doses for scattered beam much higher than for scanned beam
Wiązka skanująca mniejsze dawki od rozproszonego promieniowania Robert Kaderka, Ph.D Thesis, GSI, 2011 For scanning proton beam the doses for distant organs due to scattered radiation are 2-3 orders of magnitude lower than for MV X-rays
Nowy pokój terapii oka - New isocentric, user friendly, robotic chair - No limitations of energy (range) - Improved positioning Model 3D linii terapii oka
Start in October 2015 250-350 per gantry after 3-4 years of operation 100 eye melanoma patients/year Our clinical parters: Praca kliniczna University Hospital, Kraków Center of Oncology, Kraków Members of NCRH consortium Our waiting room for children- who will find more animals?
Projekty w Warszawie i Poznaniu Warsaw: Institution: Warsaw Medical University Localisation: Ochota Campus Facility: 12C + p Statuts: proposals prepared and submitted Poznan: Institution: Wielkopolskie Centrum Onkologii Localisation: Campus Morasko Facility: proton facility Statuts: letter of intention signed place available, ready before 2020
Radioterapia protonowa w Europie, PT+GANTRY Existing centres 1. Orsay 2. PSI Villigen 3. DKFZ Heidelberg 4. Munchen 5. PTC Prague 6. Essen In construction : 6 centers 1. Dresden 2. Krakow 3. Trento 4. Uppsala 5. Pavia 6. Wiener Neustadt 26.V.2015 TJwDTM - Wykład 12