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Acceleratori e Salute

dai radioisotopi che permettono di visualizzare I tumori alle ti ll d tt di t liparticelle prodotte per distruggerli

LASA Segrate 17 Ottobre 2008 - MASS2008

•Radioisotopi e Adroterapia

•Una introduzione storica

•Il “vecchio” ciclotrone di Milano

•Il ciclotrone superconduttore e lo studio dei radioisotopi al LASA

•“Un’occasione mancata” : il progetto di un ciclotrone d tt d t isuperconduttore per adroterapia

Lo studio di acceleratori compatti per adroterapia• Lo studio di acceleratori compatti per adroterapia

•Una realizzazione all’avanguardia : il CNAO•Una realizzazione all avanguardia : il CNAO

L di tti itàLa radioattività

• E’ il fenomeno per cui nuclei non stabili si trasformano in altri emettendo una o piu’ particelle. Le particelle emesse p p pnei decadimenti radioattivi costituiscono cio’ che comunemente viene indicato con il termine RADIAZIONI.

• I nuclei radioattivi sono caratterizzati dal tipo di ( f )decadimento (alfa, beta , gamma) e dalla velocità di

decadimento (la vita media).

• I nuclei stabili hanno vita media infinita, quelli instabili da frazioni di secondo a miliardi di annifrazioni di secondo a miliardi di anni

LE APPLICAZIONI d i RADIOISOTOPILE APPLICAZIONI dei RADIOISOTOPI

• MEDICHE…….forse le più note

• Isotopi radioattivi vengono utilizzati come traccianti per studiare i processi biologici e per rivelare condizioni patologiche come i tumori e per distinguere tessuti sanipatologiche come i tumori e per distinguere tessuti sani dai tessuti necrotici. La tomografia ad emissione di positroni (PET) permette misure quantitative di funzioni p ( ) p qmetaboliche e di reazioni biochimiche fondamentali in vivo, senza modificare il sistema biologico e con grande risoluzione spazialerisoluzione spaziale.

• In radioterapia si usano intense sorgenti radioattive per trattare tumori di organi interni che fissano specifici g pelementi

La prima applicazione pratica dei radioisotopi risale al 1911La prima applicazione pratica dei radioisotopi risale al 1911 con George de Hevesy

• The first practical application of a radioisotope d b G d H i 1911 At thwas made by George de Hevesy in 1911. At the

time de Hevesy was a young Hungarian student working in Manchester with naturally radioactive materials Not having much money he lived inmaterials. Not having much money he lived in modest accommodation and took his meals with his landlady. He began to suspect that some of the meals that appeared regularly might be

d f l ft f th di dmade from leftovers from the preceding days or even weeks, but he could never be sure. To try and confirm his suspicions de Hevesy put a small amount of radioactive material into thesmall amount of radioactive material into the remains of a meal. Several days later when the same dish was served again he used a simple radiation detection instrument - a gold leaf l h k if h f delectroscope - to check if the food was

radioactive. It was, and de Hevesy's suspicions were confirmed.

Th N b l P i i Ch i t 1943The Nobel Prize in Chemistry 1943

• George de Hevesy

• "for his work on the• for his work on the use of isotopes as tracers in the study of h i l "chemical processes"

C li “ d i” ?Cosa sono gli “adroni” ?

Il tt di b i t i d ll’ d t iIl concetto di base e i vantaggi dell’adroterapia

Le problematiche presenti con la terapia p p pbasata sui raggi X

Le problematiche presenti con la terapia basata sui raggi X

… in pratica !

Gli acceleratori per produzione di p pradioisotopi e adroterapia

I t i fi i i i tI parametri fisici: energia e corrente

L’i i i d ll fi i l i di iL’inizio della fisica nucleare in medicina18961895

scopertadei raggi X

1896scopertadella radioattività

t ldei raggi X naturale

Wilhelm Conrad Rontgen Henri Becquerel

J J Thomson1898scopertadel Radio

J.J. Thomson

del Radio

1930: invenzione dell’acceleratore circolare chiamato “ciclotrone”

Traiettoria a spirale di una Traiettoria a spirale di una particella accelerataparticella accelerata

Ernest Lawrence Ernest Lawrence

Ciclotrone moderno: protoni da 30 MeV 1 MeV = 1 milione di elettronvolt

Ciclotrone moderno: protoni da 30 MeV

L’invenzione del “sincrotrone” venne nel 1945…

Campo magneticoCampo magnetico verticale

Elettroni da 1Elettroni da 1''000 MeV000 MeVTraiettoria circolare di una Traiettoria circolare di una particella accelerataparticella accelerata

Frascati Frascati -- 19591959particella accelerataparticella accelerata

… e nel 1947 fu inventato il linac per elettronip

John Lawrence: l’inizio della medicina nucleare

L i i t i i B b Wil (1946)La prima intuizione : Bob Wilson (1946)

L’inizio dell’adroterapia a Berkeley p y(USA) nel 1954

L t d ll PETLa catena della PET

Courtesy of IBA

Il i l t t i d ll’U i it ’ di MilIl ciclotrone per protoni dell’Universita’ di Milano

Attività pioneristiche sui radioisotopi presso ilAttività pioneristiche sui radioisotopi presso il Ciclotrone di Milano

IL CICLOTRONE SUPERCONDUTTOREIL CICLOTRONE SUPERCONDUTTORE

I i t l Ci l t d l JRC IIrraggiamento al Ciclotrone del JRC Ispra

Strumentazione presente presso il p pLaboratorio di radiochimica del LASA

Liquid Scintillation counting systems (2 units)

HPGe detectorsautomatic LN2 filling g(8 units)

Low and medium Low and medium activities of activities of γγ,,ββ,,αα

radionuclidesradionuclides

R di i t i t di ti li lti i i l LASARadioisotopi studiati negli ultimi anni al LASA

• RAME-64 (2001-03): study of a new cyclotron production method, radiochemical separation and QC/QA of high specific activity copper-64( 61) b d t i di ti t l Z t t(copper-61) by deuteron irradiation on natural Zn target

• ASTATO (2003-05): study of cyclotron production of astatine-( ) y y p211/polonium-211g (internally spiked by the γ-emitter astatine-210) by alpha irradiation on Bi target. Radiochemical separation and QC/QA. Targetry improvement Polonium-210 dosimetry !Targetry improvement. Polonium 210 dosimetry !

• RENIO (2006-0x): study of cyclotron production of rhenium-186g by proton d d t i di ti W d W 186 t t R di h i land deuteron irradiation on W and W-186 targets. Radiochemical

separation and QC/QA.

IL CICLOTRONE SUPERCONDUTTOREIL CICLOTRONE SUPERCONDUTTOREai Laboratori Nazionali del Sud

Il primo centro di adroterapia in Italia

CATANA – BEAM LINE FOR THERAPY

1- The protontherapy superconducting cyclotron project 2- Design of the RF cavities for a protontherapy superconducting2- Design of the RF cavities for a protontherapy superconducting cyclotron 14th Intern. Conf. on Cyclotron and their Applications, Capetown, South Africa, ottobre 1995

Il ciclotrone superconduttore progettato a LNS perIl ciclotrone superconduttore progettato a LNS per accelerare protoni e ioni carbonio

The superconducting cyclotronSCENT accelerates particles with

LNS/IBAQ/A = ½

12C6+ 6p+ + 6nC 6p + 6n

H2+ 2p+ + 1e-

SC at 300 MeV/u H2+1, C+6Output energies:

protons 250 MeV

carbon ions 300 MeV/u = 3600 MeV

IBA i li th 300 M V/ l tIBA commercialises the 300 MeV/u cyclotron

// CCpp // CC

foil pp

4 9 m4 9 mf 4.9 m4.9 mdeflector

LIBO LI BO t 3 GHLIBO : un LInac BOoster a 3 GHz

ACLIP: a 3 GHz compact linear accelerator pfor protontherapy

High Power Magnetron ModulatorsHigh Power Magnetron ModulatorsMPT5839

Solid state modulator systems

Designed to drive pulsed magnetrons up to 5MW peak

I t t d t M d l t HVIntegrated system - Modulator, HV power supply and control system

Standard package for medical industrialStandard package for medical, industrial and defence markets

Mosfet technology for wide pulseMosfet technology for wide pulsewidth range

Custom designed for integrationg ginto customer’s equipment

Capability developed over

10 years – 250 system supplied

The CNAO

The synchrotron

CNAOFacilityFacilityInjector by

LNLRF C iRF-Cavity by Sez. Mi

Ion sources b LNS

Magnets,PS,vacuum

by LNS

Magnets,PS,vacuumtech.plants,Rprot. Engineerig by LNFg g y

Vertical magnet and scanning magnets

Monitoring ,scanning systems by Sez. To

scanning magnets by Sez. Ge

Interno della sala del sincrotrone

Dipolo

Sorgenti Componenti LEBT

QuadrupoliCavità a

radiofrequenza

L it ’ RF d l CNAOLa cavita’ RF del CNAO

L L l RF t l f CNAO itLow Level RF control of CNAO cavity

Solenoide LEBT LINAC ed RFQ

Setti magnetici iniez./estraz. Sorgente ECR

Concl sioneConclusione• Sin dall’inizio, piu’ di cento anni fa, la fisica nucleare e

delle particelle ha fornito alla medicina e alla biologia, dei t ti t ti d ll t i h di tipotenti strumenti e delle tecniche per diagnosticare e

combattere le malattie. Il lavoro congiunto di queste diverse discipline puo’ sfruttare al massimo tutte queste p p qpotenzialita’.

Si ringrazia il Prof. Ugo Amaldi per l’utilizzo di alcune delle slides presentatepresentate

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