Perspectives of the use of a compact linear accelerator for protontherapy
di Concetta Ronsivalle, Mariano Carpanese, Roberta Fantoni, Luigi Picardi - ENEA, Technical Unit for Radiation Application Development - Maria Balduzzi, Maria Teresa Mancuso, Carmela Marino - ENEA, Technical Unit for Radiation Biology and Human Health - Marcello Benassi, Marco D’Andrea, Lidia Strigari - Regina Elena National Cancer Institute-IFO-Rome - Evaristo Cisbani, Cinzia De Angelis, Salvatore Frullani, Francesco Ghio, Velio Macellari, Maria Antonella Tabocchini - Italian National Institute of Health (ISS), Rome
The use of hadrons in oncological radiotherapy is due to the excellent ballistic properties of the heavy particles that loose their energy at the end of the path in tissue (“Bragg peak”) with a modest lateral diffusion, preserving the surrounding healthy organs during tumor irradiation. At present, all the hadrontherapy centers in operation or under construction are based on circular accelerators: cyclotrons and synchrotrons. However, due to the increase of precision of X-rays radiotherapy and to the high costs of the HRT (Hadron Radio Therapy) facilities, the HRT community well recognizes that hadron sources need further development. On the basis of its expertise in design and realization of linear particle (electron/protons) accelerators, ENEA has studied an alternative scheme based on a compact high frequency full-linear proton accelerator that is expected to offer an optimal solution to the present challenge of protontherapy. The paper describes two applications of this concept: a multi-room protontherapy center to be sited in Rome as provided for by the ENEA TOP-IMPLART Project – launched in collaboration with the Italian National Institute of Health (ISS) and Regina Elena National Cancer Institute-IFO-Rome – and a cheaper single-room facility based on a compact self-shielded accelerator. The proton beam will also be used for radiobiology experiments devoted to the developments of “in vivo” and “in vitro” models for studying the cellular mechanisms involved in the carcinogenesis process and characterizing the beam in terms of the Relative Biological Effectiveness (RBE), cell survival, time to repair, cell proliferative activity and bone resorption after treatment. The first assembly and tests of the accelerator will be done at the Research Center in ENEA-Frascati, in a specific area dedicated to the accelerator’s development
Prospettive dell’uso di un acceleratore lineare compatto per protonterapia
L’uso di adroni in terapia oncologica è dovuto alle eccellenti proprietà balistiche delle particelle pesanti che perdono la loro energia al termine del percorso nel tessuto (“picco di Bragg”) con una modesta diffusione laterale consentendo di irradiare il tumore preservando gli organi sani circostanti. Attualmente tutti i centri in operazione o in costruzione sono basati su acceleratori circolari: ciclotroni e sincrotroni. Tuttavia, il continuo miglioramento di precisione della radioterapia convenzionale e i costi elevati degli impianti di adroterapia tendono a ridurre considerevolmente i vantaggi di quest’ultima a meno di ulteriori sviluppi delle sorgenti di adroni. Sulla base della esperienza nella progettazione e realizzazione di acceleratori lineari di particelle (elettroni/protoni) l’ENEA ha studiato uno schema alternativo basato su un acceleratore di protoni compatto ad alta frequenza completamente lineare, che ci si attende offra una soluzione ottimale alle presenti sfide nel campo della protonterapia. L’articolo ne descrive due applicazioni: un centro di protonterapia con più sale di trattamento da installarsi a Roma come previsto dal Progetto TOP-IMPLART lanciato da ENEA in collaborazione con l’Istituto superiore di Sanità (ISS) e l’Istituto Regina Elena-IFO e una “facility” più economica a singola sala di trattamento basata su un acceleratore compatto “auto-schermato”. Il fascio di protoni sarà anche utilizzato per esperimenti di radiobiologia dedicati allo sviluppo di modelli “in vivo” e “in vitro” per lo studio dei meccanismi cellulari coinvolti nel processo di carcinogenesi e la caratterizzazione del fascio in termini di efficacia radiobiologica. Il primo assemblaggio e i test preliminari dell’acceleratore verranno effettuati presso il centro ENEA di Frascati in un’area specifica dedicata