Radioterapia protonowa fizyka w walce z rakiem - …ptf.ps.pl/wyklady/Pawel Olko.pdf · Paweł Olko...

Uniwersytet Szczeciński 13.12.2017Paweł Olko Radioterapia protonowaIFJ PAN

Radioterapia protonowa – fizyka w walce z rakiem

Paweł OlkoInstytut Fizyki Jądrowej PAN, Kraków, Poland


www.cancer.ca

Nowotwory złośliwe – główna przyczyna zgonów

Średnia długość życia w Polsce 77.3 lata (2015)

Wzrosła o 6 lat od 1990


Zastosowanie promieniowania w leczeniu nowotworów

- od ponad 100 lat

Aplikatory z radem okazywały się skuteczne w leczeniu niektórych guzów nowotworowych (1909)

W 2011 Maria Skłodowska Curie otrzymała drugą nagrodę Nobla za odkrycie radu i polonu


Mie

jsc

ow

a w

yle

czaln

ość /

%

Pra

wd

. ko

mp

likacji

Cel radioterapii: uzyskanie największej miejscowej wyleczalności

(„wyleczenie guza”) przy najmniejszych komplikacjach

Jak napromieniać zmianę nowotworową?


Finansowanie budowy Centrum Cyklotronowego Bronowice

Osłabianie światła – im głębiej tym ciemniej !!!

Podobnie z promieniowaniem rentgenowskim

Promieniowanie osłabia się przy wnikaniu do materii


Można składać wiązki promieniowania …..


Lampy rtg lata 1930Co-60, lata 1960

Przyspieszacze liniowe od lat 1980

Postęp w radioterapii związany był zawsze z poprawą

rozkładu dawki


8

William Henry

Bragg (1862 – 1942)

Rober R. Wilson, 1946

PIK

BRAGGA

Terapia

protonowa

Terapia

fotonowa

Położenie guza

Głębokość w tkance

Inte

ns

yw

no

ść

pro

mie

nio

wa

nia

Rozkładu dawki w radioterapii konwencjonalnej i protonowej

Uniwersytet Szczeciński 13.12.2017Paweł Olko Radioterapia protonowaIFJ PAN Wolff H.A. et al. Radiother Oncol 2012; 102: 30-37

Rak odbytuW terapii protonowej wiązką skanującą dawki na zdrową tkankę niższe o 50%


Weryfikacja zasięgu wiązki protonowej

metodą Pozytronowej Tomografii Emisyjnej PET

Wiązka protonowa produkuje wewnątrz organizmu izotopy b+ promieniotwórcze 11C,13N i 15O których lokalizacje można obserwować pod PET


Niepożądane dawki od promieniowania rozproszonego

mniejsze w radioterapia protonowej niż konwencjonalnej

0 100 200 300 400 500 6001E-3

0.01

0.1

1

10

100

1000

Do

se

eq

uiv

ale

nt (m

Sv/G

y)

Distance form the inner surface of the phantom (mm)

spot scanning proton beam

conventional RT (20 MV X-rays)

Saveta Miljanic, et al., RBI, Marie Davidkowa, et al., NPI, Liliana Stolarczyk, et al., IFJ, Carles Domingo, et al., UAB, Angela Di Fulvio, et al., UP

0 100 200 300 400 500 6001E-3

0.01

0.1

1

10

100

1000

Do

se

eq

uiv

ale

nt (m

Sv/G

y)

Distance form the inner surface of the phantom (mm)

spot scanning proton beam

conventional RT (20 MV X-rays)

NEUTRONY PROMIENIOWANIE γ

Dawki od promieniowania rozproszonego wewnątrz fantomu są niższe w radioterapii protonowej niż konwencjonalnej


Jak napromienić zmianę nowotworową? Zadanie dla fizyka…


Jakiej wiązki protonów potrzebujemy?

100 1000

0,1

1

10

100

Za

sie

g w

wo

dzie

/ cm

Energia/MeV

oko

dowolny narząd

Potrzebny jest zasięg wiązki ok. 30 cm co odpowiada energii ok. 200 MeV - 250 MeV


Ruch jonu

Ruch jonu

Ruch jonu

+

+

+

+Ruch jonu

B stałe

E = 0

B = 0

E stałe

B = 0

E zmienne

B stałe

E zmienne

f =q * B

2π * m

Jak rozpędzić protony?

Autor: K. Daniel


Cyklotrony – potężne narzędzie do badań i zastosowań

medycznych

Ernest Lawrance, 1932, Nagroda

Nobla za wynalezienie cyklotronuFizyka cząstek

elementarnych i

fizyka jądrowa

Radiobiologia Badania kosmiczne Radioizotopy medyczne

Radioterapia nowotworów


- pierwszy cyklotron skonstruowany

w IFJ , 48 cm (1955)

- klasyczny cyklotron U-120

(otwarcie 22.11.1958, zamknięcie

1995)

-cyklotron izochroniczny AIC-144

(1995) 60 MeV protony

-Proteus C-235 (grudzień 2012)

230 MeV protony

Cyklotron U-120, 1958

Cyklotrony w IFJ PAN


Cyklotrony w IFJ PAN

W AIC-144 energia protonów 60 MeV wystarcza do

zastosowania ich do leczenia nowotworów oka (zasięg

ok. 30 mm).

- pierwszy cyklotron skonstruowany

w IFJ , 48 cm (1955)

- klasyczny cyklotron U-120

(otwarcie 22.11.1958, zamknięcie

1995)

-cyklotron izochroniczny AIC-144

(1995) 60 MeV protony

-Proteus C-235 (grudzień 2012)

230 MeV protony


Proteus C- 235 (IFJ PAN, 2012)

S2C2 synchrocyklotorn (IBA, 2015)

Mevion, 2015

220 ton (1.5 – 3 T)

50 ton, 5.7 T (NbTi)

20 ton, B= 9 T

Dedykowane cyklotrony i synchrocyklotrony dla terapii protonowej


Degradacja energii protonów – selektor energii

Selektor energii

70-230 MeV

DE/E < 1 %

Czas zmiany: 1 s

Absorber berylowy dla zmiany

energii wiązki


Transport wiązki protonów


Wiązka horyzontalna z cyklotronu nadaje się do napromieniania

tylko niektórych guzów np. czerniaka oka

Transport wiązki do pacjenta

www.triumf.ca

Pozioma wiązka protonów z cyklotronu


Pole magnetyczne odchyla cząstki naładowane

… również w Kosmosie


1. Sztywność magnetyczna wiązki, B r

r

2vmqvB

q

vmB r

Magnes zakrzywiający

Pole magnetyczne odchyla cząstki naładowane


Wiązka protonów

Testy fabryczne

gantry-1 dla IFJ PAN

Waga 120 T

Stanowisko gantry – precyzyjny olbrzym do napromieniania


Prowadzenie wiązki protonów- przykład instalacji w IFJ PAN Kraków


Formownie wiązki protonowej – stanowisko napromieniania


Wiązka rozproszona w radioterapii protonowej


Rozmiar guza

Indywidualne elementy mechaniczne dla każdego pola

napromieniania: modulator energii + kolimator


Rozmiar guza

Indywidualne elementy mechaniczne dla każdego pola

napromieniania: modulator energii + kolimator

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 250.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

25,06 mm

a.u

.

distance [mm]

1,18 mm 1,19 mm


Dyskryminator zasięgu

Modulator

Stanowisko radioterapii nowotworów oka IFJ PAN –

przykład pasywnego formowania wiązki

Kolimator pacjenta


Pencil Beam Scanning, PBS

2. Akceleratory i transport wiązki do pacjenta

Wiązka rozproszona i ołówkowa wiązka skanująca (PBS)

Wiązka rozproszona

http://www.oncolink.org

http://www.hamptonproton.org


Niepożądana dawka

Porównanie rozkładu dawek dla wiązek rozpraszanej i skanującej


Court. Engelsmann, PSI

Terapia Protonowa o Modulowanej Intensywności, IMPT

Pojedyncze pola są niejednorodne!!!!!


Działające:

1. DKFZ Heidelberg (2009)

2. PSI Villigen (1996)

3. Orsay (2007) – w. rozpr.

Radioterapia protonowa w Europie 2012


Działające:

1. DKFZ Heidelberg

2. Dresden (2014)

3. Essen (2014)

4. Munchen (2012)

5. Orsay (2006)

6. Pavia (2013)

7. PSI Villigen (1996)

8. PTC Prague (2013)

9. Trento (2014)

10. Nice (2016)

11. Kraków (2011, 2016)

12. Uppsala (1957, 2015)

13. Marburg (2016)

14. Wiener Neustadt (2016)

W budowie:

1. Aarhus DK) 2018

2. Delft (2018)

3. Groningen, 2018)

4. London (2018)

5. Manchaster (2018)

6. Caen (2018)

7. Maastricht (2018)

Planowane:- Amsterdam (2019)

- Belgia – 2

- Poznań, Warszawa, Bydgoszcz

Radioterapia protonowa w Europie 2016


Radioterapia protonowa oka w Krakowie


Cyklotron AIC-144 w IFJ PAN Krakow

Zbudowany przez inżynierów i fizyków IFJ

PAN w latach 1995-2010

Wiązka 60 MeV protonów


Radioterapia protonowa oka - jak to działa?


Pokój terapii protonowej oka przy cyklotronie AIC-144

Zbudowany przez fizyków, inżynierów i

techników IFJ PAN przy współpracy z HMI

Berlin 2005 -2011


W przygotowanie i wykonanie pierwszej terapii oka brało

udział ok. 50 fizyków, inżynierów, techników, lekarzy


Pierwszy pacjent

zakończył radioterapię

18 lutego 2011 r.

Od kwietnia 2013 roku

zabiegi były

finansowane przez NFZ

2011-2015

napromieniono 126

pacjentów

Radioterapia protonowa oka na cyklotronie AIC-144

Partnerzy:

Szpital Uniwersytecki UJ

Instytut Fizyki Jądrowej

w Krakowie

Centrum Onkologii

Oddział Kraków


Centrum Cyklotronowego Bronowice


Czerwiec 2011


Narodowe Centrum Radioterapii HadronowejInstalacja cyklotronu

11 maja 2012


P. Olko M. Jezabek NCRH

11 maja 2012


230 MeV cyklotron protonowy z 2 gantry, terapia oka i hala eksperymentalną

dla fizyki jądrowej


Nowoczesne stanowisko do terapia oka


Wykonanie warstw tomograficznych

Siemens Somatom Definition AS Open

Otwór o średnicy 80 cm

64 rzędy

Qfix kVue CT

Redukcja artefaktów od różnych materiałów (metali), krzywe

kalibracji

Single Source Dual Energy; Care Dose 4D

Fuzja z obrazem MRI- wykonanym w COI- O. Kraków

Systemy

unieruchomienia

Systemy

TPS/OIS

Dozymetria

i Kontrola Jakości

Tomograf

komputerowy

2 stanowiska

gantry z PBS

uprz. R. Kopeć, CCB


Wykonanie planów leczenia

Zasada radioterapii protonowej z modulowaną intensywnością (IMPT):

niejednorodne rozkłady dawek z kilku pól dają pożądaną (jednorodną) dawkę

docelową.

Zalety IMPT:

Lepsza zgodność dawki; strome gradienty dawek;

Zmniejszenie dawki całkowitej;

Mniejsza wrażliwość na niepewność zasięgu i inne źródła

niepewności;

Systemy

unieruchomienia

Systemy

TPS/OIS

Dozymetria

i Kontrola Jakości

Tomograf

komputerowy

2 stanowiska

gantry z PBS

Eclipse Protons for PBS (Varian) ARIA Oncology Information System (Varian) Citrix: możliwość zdalnego dostępu



Kontrola Jakości stanowiska gantry

QA stanowiska (dzienny):

Powtarzalność podania dawki (kontrola output factor): płyty

RW3 komorą 0,125 mm – zestaw UNIDOS

Parametry pola promieniowania (zestaw Lynx): 5x5 cm2;

pomiar spotów dla energii 70 MeV, 150 MeV, 225 MeV:

rozmiar plamki oraz symetria i płaskość pola.

Systemy

unieruchomienia

Systemy

TPS/OIS

Dozymetria

i Kontrola Jakości

Tomograf

komputerowy

2 stanowiska

gantry z PBS



Kontrola Jakości stanowiska gantry

QA stanowiska (tygodniowy):

pomiar piku Bragga (Giraffe).

Systemy

unieruchomienia

Systemy

TPS/OIS

Dozymetria

i Kontrola Jakości

Tomograf

komputerowy

2 stanowiska

gantry z PBS



Weryfikacja dozymetryczna planów leczenia

Systemy

unieruchomienia

Systemy

TPS/OIS

Dozymetria

i Kontrola Jakości

Tomograf

komputerowy

2 stanowiska

gantry z PBS

Weryfikacja dozymetryczna planów leczenia pacjenta:

Dawka w fantomie wodnym (Blue Phantom);

Rozkład dawki w MatriXX Ion Chamber Array (2-D

dosimetry) w fantomie wodnym (DigiPhant PT);

Index gamma 3 %/3mm; 95 % zgodności



ortogonalne lampy rtg kV;

optyczne pozycjonowanie Vision RT w czasie

rzeczywistym;

bramkowanie oddechowe.

Systemy

unieruchomienia

Systemy

TPS/OIS

Dozymetria

i Kontrola Jakości

Tomograf

komputerowy

2 stanowiska

gantry z PBS

Pozycjonowanie pacjenta



Obsługa i serwis całkowicie w

rękach personelu IFJ

Ponad 40 osób personelu w

wieku od 25 do 40 lat

- fizycy wiązki

- fizycy i inżynierowie cyklotronu

- automatyk systemów

sterowania

- informatycy systemów

planowania leczenia i systemu

informacji onkologicznej

Personel


Radioterapia protonowa na gantry –współpraca IFJ PAN i Centrum Onkologii w Krakowie

Centrum Cyklotronowe Bronowice• fizycy – 23

dozymetria weryfikacja

• technicy elektroradiologii - 8• informatycy – 4• obsługa cyklotronu - 16

•kwalifikacja

•diagnostyka obrazowa

•konsultacja hist-pat.

•systemy unieruchomienia

•przekroje KT

•konturowanie

•przygotowanie planu terapii

•dozymetria planu

•akceptacja planu •resymulacja

•realizacja radioterapii

•weryfikacja

Samodzielna Pracownia Radioterapii Protonowej• lekarze specjaliści

radioterapii onkologicznej – 8 (KO i ZR) diagnostyki obrazowej – 2 (ZDO)

• pielęgniarki – 5 (KO)• specjaliści fizyki medycznej – 4 (ZFM)• technicy elektroradiologii – 10 (ZR)

Uprz. B. Sas-Korczyńska, Wisła, 2017

Guzy podtsawy czaszki(chondrosarcoma, chordoma)

Nowotwory u dzieci(medulloblastoma, sarcomas,

glejaki)

Nowotwory gałki ocznej(melanoma, retinoblastoma,

orbital rhabdomyosarcoma)

Miednica(prostate, gynecologogic,

pelvic & retroperitoneal sarcomas)

Klatka piersiowa(NSCLC, pierś, przełyk,

STS, lymphomas)

Nowotwory układu pokarmowego(HCC, esophagus, odbyt)

Obszary głowy i szyi(paranasal sinus, nosogardło,

ślinianki, przełyk,

wznowy)

„złoty standard”

(choć brak badań klinicznych)

Porównanie efektywności

& badania rozkładu dawekWskazania

Cel główny – zmniejszenie powikłań, wtórny – poprawa miejscowej wyleczalności

Na podstawie prezentacji B. Sas-Korczyńska, 2017


2017

rozpoczęcie realizacji procedury

90 chorych

75 pacjentów otrzymało pełne, zaplanowane leczenie

Uprz. B. Sas-Korczyńska, R. Kopeć

struniaki

glejaki

dzieci

Radioterapia protonowa na gantry –współpraca IFJ PAN i Centrum Onkologii w Krakowie


Historia starań o finansowanie terapii protonowej (1)

2013 – Centrum Onkologii składa wniosek

do Ministerstwa Zdrowia

2014 – powołanie przez Ministra Zdrowia

zespołu ekspertów konsultanta krajowego

ds. radioterapii onkologicznej

05.2015 - wydanie rekomendacji

06.2015 - początek działania AOTM

08. 2016 – Min. Zdrowia ogranicza liczbę

wskazań do „10”

10.2015 – wycena AOTM: 89 000 zł dorosły

12.2015 – propozycja Min. Zdrowia, aby

CCB utrzymywała się z pacjentów

zagranicznych!


Historia starań o finansowanie terapii protonowej (2)

10.02.2016 – projekt rozporządzenia

15.06.2016 – ukazuje się Rozp. Min.

Zdrowia dot. Radioterapii Protonowej

Nakazuje m.in. weryfikację planu przed

każdym napromienieniem pacjenta!!!!!

1.07.2016 NFZ ogłasza konkurs na 2016

na kwotę: 820,000 zł w tym:

60,000 zł/ 1 dorosłego

73,000 zł/ 1 dziecko

Możliwe leczenie 13 pacjentów w 2016

Koszty poniesione przez NFZ na leczenie

za granicą 01-08. 2016 :

3 229 582 zł /24 osoby = 134, 566 zł

Tylko 40% pacjentów była wysłana

zgodnie ze wskazaniami AOTM


Wskazania do radioterapii protonowej w Polsce

Metoda:

Analiza wyników badań klinicznych

(Medycyna oparta na faktach)


Wskazania do radioterapii protonowej w Polsce opracowano

na podstawie wyników dla wiązek rozproszonych (DS)


Guzy podstawy czaszki(chondrosarcoma, chordoma)

Nowotwory u dzieci(medulloblastoma, sarcomas,

glejaki)

Nowotwory gałki ocznej(melanoma, retinoblastoma,

orbital rhabdomyosarcoma)

Miednica(prostate, gynecologogic,

pelvic & retroperitoneal sarcomas)

Klatka piersiowa(NSCLC, pierś, przełyk,

STS, lymphomas)

Nowotwory układu pokarmowego(HCC, esophagus, odbyt)

Obszary głowy i szyi(paranasal sinus, nosogardło,

ślinianki, przełyk,

wznowy)

„złoty standard”

(choć brak badań klinicznych)

Porównanie efektywności

& badania rozkładu dawekWskazania

Cel główny – zmniejszenie powikłań, wtórny – poprawa miejscowej wyleczalności

NIE FINANSOWANE

NIE FINANSOWANE

NIE FINANSOWANE

w większościNIE FINANSOWANE


Selekcja pacjentów do radioterapii protonowej w Europie

Czechy:- pacjent ma przygotowywane plan fotonowy

(konwencjonalny) i protonowy (jeśli ubezpieczalnia wymaga)

- ośrodek referencyjny, niezależny od ośrodka protonowego decyduje

Szwecja:- pacjent ma przygotowywane plan fotonowy

(konwencjonalny) i protonowy w ośrodku kierującym

- decyzja radioterapeuty prowadzącego

Holandia:- model oparty na analizie dawek i powikłań- decyzja podejmowana przez ubezpieczyciela

Dania:- model holenderski

Holandia, 4 ośrodki w budowie,

2200 pacjentów/rok


Podsumowanie

1. Wiązka protonowa umożliwia uzyskanie konformalnego rozkładu

dawki i zmniejszenie całkowitej dawki przekazanej pacjentowi.

2. W ostatnich latach nastąpił szybki rozwój radioterapii protonowej.

Stało się to możliwe m.in. dzięki wykorzystaniu technologii

rozwijanej dla fizyki jądrowej.

3. W IFJ PAN od 2011 roku, prowadzona jest, wraz ze Szpitalem

Uniwersyteckim w Krakowie, radioterapia protonowa oka a od 2016

radioterapia protonowa na stanowiskach gantry wraz z Centrum

Onkologii w Krakowie.

4. Liczba pacjentów jest ograniczona ze względu na bardzo

ograniczone wskazania przez Ministerstwo Zdrowia. Pacjenci

wyjeżdżają za granicę na lecznie.

Radioterapia protonowa fizyka w walce z rakiem - …ptf.ps.pl/wyklady/Pawel Olko.pdf · Paweł Olko...

Documents

Transcript of Radioterapia protonowa fizyka w walce z rakiem - …ptf.ps.pl/wyklady/Pawel Olko.pdf · Paweł Olko...