IT202100021740A1 - Dispositivo per il trattamento radioterapico - Google Patents
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Description
DISPOSITIVO PER IL TRATTAMENTO RADIOTERAPICO
La presente invenzione riguarda un dispositivo per il trattamento radioterapico di malati oncologici.
Pi? nel dettaglio, l?invenzione riguarda un dispositivo per il trattamento radioterapico, in particolare, un acceleratore lineare, preferibilmente per radioterapia del tipo ?Flash? e per applicazioni industriali.
? noto che la radioterapia ? uno strumento consolidato nel trattamento dei pazienti oncologici ed assieme alla chirurgia e alla chemioterapia ha permesso di migliorare significativamente tanto la prognosi finale quanto la qualit? della vita dei malati.
L?efficacia associata al trattamento radioterapico risiede nella possibilit? di colpire le cellule malate con una dose di radiazioni sufficientemente alta da risultare curativa, limitando i danni ai tessuti sani circostanti.
Per effettuare un trattamento efficace vengono messe in atto diverse strategie:
a) Ottimizzazione della balistica del fascio: vengono scelte radiazioni ionizzanti e tecnologie differenti a seconda del tumore da trattare, utilizzando, con i fasci esterni, diversi campi di entrata; in questo modo, si ottengono distribuzioni di dose ?conformate? sul target da trattare, con un risparmio dosimetrico dei tessuti sani adiacenti.
b) Ottimizzazione dei parametri radiobiologici: quando ? possibile, si sfrutta il dato radiobiologico che deriva dal fatto che i tessuti sani recuperano meglio e prima i danni sub-letali delle radiazioni a livello cellulare, rispetto ai tessuti malati. In questo modo ? possibile essere molto efficaci sul tumore limitando i danni ai tessuti sani, frazionando la dose di trattamento. Infatti, ad esempio, una tecnica standard in radioterapia ? rappresentata da un trattamento frazionato in una serie di trattamenti da 2 Gy al giorno, da ripetersi fino a raggiungere la dose prescritta (60 ? 80 Gy).
In ultima analisi, l?efficacia di un trattamento radioterapico risulta data dalla possibilit? di avere una ?finestra terapeutica? (a tale proposito si veda il diagramma della figura 1 allegata, in cui la ?finestra terapeutica? viene definita come la distanza tra le curve) tra la dose curativa al bersaglio (curva superiore di figura 1) ed il danno al tessuto sano (curva inferiore di figura 1).
La prognosi risulta strettamente correlata all?esistenza di tale ?finestra terapeutica?; i tumori a prognosi pi? complessa sono quelli dove risulta complicato, se non impossibile, erogare dosi al bersaglio efficaci (buona probabilit? di guarigione) senza avere limitanti complicazioni.
Si consideri, a titolo esemplificativo ma non esaustivo, il carcinoma del pancreas, avente oggi una prognosi decisamente infausta, caratterizzato da una sopravvivenza a cinque anni inferiore al 20%, anche nei casi pi? favorevoli.
Il trattamento di questi tumori difficili, che hanno resistito all?imponente sviluppo tecnologico nel settore a partire dagli anni ?80, richiede idee, tecniche e scoperte nuove.
La radioterapia viene attualmente somministrata attraverso molteplici dispositivi: radioisotopi, acceleratori lineari in modalit? elettroni e/o raggi X, ciclotroni per protoni e/o ioni carbonio.
Tutte queste tecnologie sono per? accomunate da un rateo di dose variabile ma sostanzialmente limitato a pochi Gy per minuto.
Alcune ricerche hanno dimostrato un fenomeno inatteso e potenzialmente rivoluzionario: utilizzando un rateo di dose molto pi? elevato, definito come effetto ?Flash?, e pari a circa 40 Gy/s, superiore allo standard di un fattore superiore a 1000, il rapporto tra il danno alle cellule malate rispetto al tessuto sano non risultava pi? quello ottenibile con i ratei di dose standard, ma molto pi? vantaggioso. Ad esempio, risultava possibile curare completamente il tumore al polmone nelle cavie senza gli effetti collaterali della tecnica standard.
Tramite queste ricerche ? stato dimostrato che nel range ?Flash? la cosiddetta ?finestra terapeutica? (si veda il diagramma di figura 1) risultava significativamente maggiore, lasciando intendere una probabilit? pi? elevata di prognosi positiva per tumori ad oggi non ancora curabili, rendendo cos? curabile ci? che oggi non lo ?, e migliorando significativamente la qualit? di vita dei pazienti oncologici.
Generalmente, la radiazione diffusa generata da un acceleratore lineare medicale pu? essere suddivisa nelle seguenti diverse categorie:
(1) Fascio diretto; tale componente non ? presente in un trattamento IORT poich? il fascio ? interamente collimato sul bersaglio ed assorbito; (2) Radiazione di fuga (leakage radiation, LR); (3) Radiazione prodotta dal paziente (patient scattered radiation PSR); la PSR presenta una forma ?a cardioide? ed ha un picco lungo la direzione del fascio;
(4) Radiazione scatterata dalle pareti (wall scattered radiation WSR); in generale, per ogni punto la WSR pu? essere espressa come la somma di LR e PSR;
(5) Radiazione secondaria (inclusi fotoneutroni e raggi gamma per cattura neutronica) prodotta nella testa radiante o dall?interazione con elementi nella sala.
Risulta quindi evidente come sia fondamentale ridurre al minimo la componente relativa alla radiazione di fuga o di leakage LR per minimizzare la quantit? totale di radiazione diffusa, in quanto la radiazione diffusa dal paziente PSR non ? in alcun modo modificabile.
Inoltre, nei linac medicali la radiazione di fuga LR ? significativamente maggiore della radiazione scatterata dal paziente PSR, in particolare, fino a quattro ordini di grandezza superiori, con la sola eccezione degli acceleratori IORT.
In particolare, la radiazione diffusa pone due differenti problemi:
a. la radioprotezione del paziente;
b. la radioprotezione degli operatori.
La radioprotezione del paziente implica la necessit? di schermare la radiazione di fuga LR per ridurla al di sotto di limiti stringenti fissati dalle normative, come visibile in figura 2. In particolare, in figura 2 con il riferimento numerico 100 viene indicato il cannone elettronico, con il riferimento 101 il percorso dell?elettrone a partire dal cannone elettronico 100 e con 102 il target. Ulteriormente, sempre in figura 2 viene indicato con il riferimento 103 la schermatura protettiva e con il riferimento 104 il limite di misura per la radiazione di fuga al di fuori di un piano paziente 105. Sempre in figura 2, con il riferimento 106 viene indicato l?isocentro definito dall?intersezione tra l?asse di riferimento X e il piano paziente 105; infine, con il riferimento 107 viene indicata la distanza normale di trattamento che ? la distanza che intercorre tra il target 102 e il piano paziente 105.
Quanto sopra descritto, rende chiara la necessit? di limitare al massimo la radiazione di fuga LR, permettendo quindi di ottimizzare dimensioni e pesi della struttura meccanica che alloggia il linac e rispettando i limiti normativi per la radioprotezione del paziente.
Quindi, sia per applicazioni IORT (energia minore o uguale a 12 MeV) che per applicazioni VHEE Very High Energy Electrons con fasci esterni (energia compresa tra 50 e 250 MeV) la necessit? di schermare LR gioca un ruolo fondamentale.
Dunque, la possibilit? di limitare o addirittura eliminare la schermatura del linac rende i dispositivi medici pi? semplici, leggeri ed economici incidendo defacto sulla effettiva possibilit? della pratica clinica.
Un?ulteriore problematica rilevante ? quella relativa all?accelerazione del fascio nella struttura accelerante. Infatti, parte del fascio di elettroni accelerato interagisce con la struttura accelerante in rame producendo radiazioni X tramite Bremsstrahlung. Questo fenomeno ? chiaramente illustrato nelle figure 3A-3D, che illustrano, solo a titolo di esempio un liac 10 MeV con Emax= 27 MV/m sull?asse e cannone elettronico (e-gun) 12 KV 50000 e-. In dettaglio, in tali figure viene mostrato, a partire dalla seconda cavit? a radiofrequenza RF dell?acceleratore di particelle fino all?ultima, come venga perduto circa il 20% del fascio iniettato. Nel dettaglio, una parte significativa di questi elettroni interagisce svantaggiosamente con il linac, generando la radiazione di fuga o leakage LR, discussa nel precedente paragrafo.
Ulteriormente, oltre a quanto appena detto, la produzione di una dose per impulso tale da provocare l?effetto Flash richiede l?accelerazione di elevate correnti di fascio, significativamente superiori ai valori comuni in radioterapia.
Questo elemento provoca naturalmente l?aumento dello scattering tra fascio di elettroni e la struttura accelerante in rame, con conseguente aumento di produzione di fotoni ad alta energia a causa della Bremsstrahlung.
Scopo principale della presente invenzione, ? quindi quello di realizzare un dispositivo per il trattamento radioterapico, che sia tale da superare le problematiche dell?arte nota.
Un altro scopo della presente invenzione ? quello di realizzare un dispositivo per il trattamento radioterapico del tipo compatto e che dia la possibilit? di implementare un corretto e preciso posizionamento del linac senza sovradimensionamenti della relativa struttura.
Ulteriore scopo della presente invenzione, ? quello di realizzare un dispositivo per il trattamento radioterapico che sia tale da operare in modalit? ?Flash?, sia intraoperatoria, sia VHEE e sia in applicazioni industriali, come nel caso di un linac per controlli non distruttivi.
Altro scopo della presente invenzione ? quello di realizzare un dispositivo per il trattamento radioterapico di malati oncologici, che consenta di ridurre drasticamente la radiazione di fuga LR in modo tale da ridurre altres? la radiazione diffusa per il paziente e la riduzione della schermatura necessaria nel bunker.
Non ultimo scopo della presente invenzione ? anche quello di realizzare un dispositivo per il trattamento radioterapico di malati oncologici che consenta, in particolare per acceleratori lineari medicali IORT, di diminuire il peso della struttura, le schermature necessarie e superare il problema dell?attivazione, come verr? meglio spiegato nel seguito.
Questi ed altri scopi sono raggiunti da un dispositivo per il trattamento radioterapico di malati oncologici secondo la rivendicazione 1 allegata; altre caratteristiche tecniche di dettaglio sono contenute nelle rivendicazioni successive.
Forma ancora oggetto della presente invenzione ? un dispositivo per il trattamento radioterapico, come meglio emerger? nel seguito della presente descrizione, secondo una forma di esecuzione preferita, ma non esclusiva della presente invenzione e con riferimento alle unite tavole di disegni, in cui:
la figura 1 mostra schematicamente un diagramma relativo al concetto noto di ?finestra terapeutica? in radioterapia;
la figura 2 mostra schematicamente una tipologia esemplificativa di radioprotezione con schermatura della radiazione di fuga LR, in particolare, per acceleratori con energia fino a 50 MeV si veda IEC 60601-2-1, ? 201.10.1.2.104.1 e ? 201.10.1.2.104.2;
le figure 3A-3D mostrano schematicamente il problema dell?accelerazione del fascio all?interno della struttura accelerante, in particolare, il fatto che parte del fascio interagisce con la struttura accelerante, perdendosi e producendo radiazione X tramite Bremsstrahlung;
le figure 4A-4B mostrano solo a titolo illustrativo ed esemplificativo simulazioni schematiche di cosa accade al fascio quando la struttura accelerante ? realizzata in materiale a basso numero atomico (Z) con una deposizione (coating) di uno strato di rame;
le figure 5A-5B mostrano, analogamente alle figure 4A-4B, solo a titolo illustrativo ed esemplificativo, cosa accade al fascio quando la struttura accelerante a basso numero atomico ? realizzata con uno strato di coating in alluminio;
le figure 6A-6B mostrano, come alle figure precedenti, solo a titolo esemplificativo e illustrativo, simulazioni di cosa accade al fascio quando la struttura accelerante a basso Z ha uno strato di coating in carbonio;
le figure 7A-7G mostrano, sempre schematicamente solo a titolo esemplificativo e illustrativo, una simulazione relativa agli spettri e alla distribuzione angolare dei fotoni provenienti da fasci con differenti energie (rispettivamente di 5, 10, 50 e 100 MeV), che interagiscono con 2 mm, rispettivamente, di rame, alluminio e carburo di silicio.
la figura 8 mostra un?illustrazione schematica di cosa accade, a titolo di esempio, ad una macchina IORT, in cui la radiazione X viene prodotta lungo l?asse del fascio, secondo la presente invenzione;
la figura 9 ? una rappresentazione schematica relativa ad una cavit? della struttura accelerante realizzata in rame e materiale a basso Z con deposizione di uno strato superficiale in rame;
la figura 10A mostra un ulteriore vista della cavit? di figura 9, in particolare, una vista laterale ed in sezione longitudinale;
la figura 10B mostra un particolare della figura 10A, secondo la presente invenzione.
Con riferimento alle figure, genericamente, il dispositivo per il trattamento radioterapico ? una struttura accelerante e viene identificato con il riferimento numerico 10. Pi? nel dettaglio tale struttura accelerante 10 ? tale da operare, solo a titolo di esempio, in modalit? ?Flash?, sia intraoperatoria, sia VHEE e sia in applicazioni industriali, come nel caso di un linac per controlli non distruttivi.
In particolare, le problematiche delineate precedentemente nella descrizione dell?arte nota, possono essere superate, in modo vantaggioso, attraverso con un nuovo paradigma tecnologico che comprende la realizzazione della struttura accelerante 10 in materiale a basso numero atomico Z con, al di sopra, una sottile deposizione (coating), totale o parziale, come verr? descritto successivamente, di un ulteriore strato 11 di materiale a basso numero atomico (Z), preferibilmente il rame, per raggiungere tutti gli effetti ottimali sopra analizzati.
Infatti, ? ben noto che la frazione di energia trasportata dagli elettroni che viene trasformata in fotoni, identificata dallo Stopping power radiativo
dipende dal numero atomico Z quadraticamente:
A titolo esemplificativo, come visibile nelle figure 4A-4B, 5A-5B e 6A-6B, una prima analisi semiquantitativa viene svolta utilizzando i dati forniti rispetto a tre differenti materiali, rispettivamente: rame, alluminio e carbonio.
I dati riportano gli stopping power massici (figure 4A, 5A e 6A) e la frazione di energia trasformata in fotoni, ovvero il radiation yield, (figure 4B, 5B e 6B).
In modo vantaggioso, questi dati mostrano immediatamente il vantaggio di utilizzare materiali con numero atomico Z minore, considerando come materiale ?optimum? il Carbonio.
Sempre vantaggiosamente, a conferma di quanto detto fin?ora, ? stata ottenuta un? analisi pi? precisa tramite simulazione Monte Carlo con il codice Fluka.
I grafici mostrati nelle figure 7A-7G illustrano gli spettri e la distribuzione angolare dei fotoni prodotti da fasci con differenti energie (5, 10, 50 e 100 MeV) che interagiscono con 2 mm di rame, alluminio e carburo di silicio. Come ? possibile vendere nelle figure 7A-7G, con il riferimento A viene indicate la curva che rappresenta l?andamento dell?energia (fig. 7A-7D) e/o dell?angolo (7E-7C) del fotone sul rame, con B sull?alluminio e con C sul carburo di silicio.
Pi? nel dettaglio, l?analisi svolta mostra che la scelta dei materiali a basso numero atomico Z ha un duplice effetto: non solo la produzione dei raggi X ? significativamente minore, ma anche la distribuzione angolare ? profondamente differente. Solo a titolo di esempio, il rame ? un materiale tale da fornire una frazione di elettroni dispersi molto maggiore ad angoli maggiori di 20?. Quanto appena detto richiede una maggiore quantit? di schermature dell?acceleratore di particelle 10, ad esempio il linac.
Come gi? visibile in figura 2, lo standard EN 60601-2-1 viene illustrato schematicamente anche in figura 8, nel dettaglio, tale figura ? relativa ad un linac dedicato alla IORT, nonostante, vantaggiosamente, tale concetto ? facilmente generalizzabile tanto per un linac da VHEE che per un linac dedicato alle applicazioni industriali.
In modo vantaggioso, il materiale che deve essere scelto per la realizzazione del ?bulk? della struttura accelerante deve avere, solo a titolo di esempio, i seguenti requisiti tecnologici:
- Presentare una durezza e lavorabilit? adeguata; - Permettere la deposizione di materiali a basso numero atomico Z, preferibilmente rame sulla superficie;
- Avere un numero atomico sufficientemente basso, ad esempio, rispetto al rame (Z = 29)
- Mantenere struttura solida fino alle temperature necessarie per i processi di saldo-brasatura tra le parti (T > 800 ?C);
- Avere una buona conducibilit? termica (viceversa ? necessario un sistema di raffreddamento specifico all?interno della cavit? per dissipare il calore generato dalla radiofrequenza necessaria alla creazione dei campi elettrici acceleranti).
Di seguito sono riportate propriet? chimico fisiche di alcuni materiali considerati, a partire dal rame fino al carbonio, elemento pi? vantaggioso in termini di bassa produzione di raggi X.
Sulla base di questi dati, il carburo di silicio pu? rappresentare una soluzione particolarmente interessante, per la elevata durezza, l?alta temperatura di fusione e la buona conducibilit? termica.
Vantaggiosamente, tra i suddetti materiali a basso Z, ed anche in funzione della necessit? del progetto sia relativamente al livello di radiazione di fuga o leakage massimo, sia a livello di budget a disposizione, ciascuno dei materiali sopra analizzati pu? essere utilizzato in alternativa al rame.
Ulteriormente, come visibile nelle figure, con il riferimento numerico 11 viene indicato uno strato di materiale a basso Z che viene utilizzato come rivestimento/coating delle cavit? 12 della struttura accelerante 10.
Nel dettaglio, la definizione dello spessore dello strato 11 di materiale a basso numero atomico, preferibilmente il rame, deve soddisfare i seguenti requisiti:
1. Essere superiore allo ?spessore di penetrazione? del campo elettrico nel conduttore, che si calcola come
dove ? ? la frequenza dell?onda incidente, ?? la permeabilit? del vuoto (1.256?10<-6 >H/m) e ? la conducibilit? del materiale (per il rame ? ~ 5.88?10<7 >?-
<1>m<-1>).
La condizione risulta soddisfatta per spessori superiori a pochi micron (3 ?m per la banda S, 2998 MHz, 2.2 ?m per la banda C, 5712 MHz, 1.7 ?m per la banda X, 9000 MHz);
2. Essere tale da sopportare eventuali scariche elettriche con intensit? tipiche pari a 50 MV/m; 3. Essere tale da permettere la minimizzazione della Bremsstrahlung.
Vantaggiosamente, una soluzione ottimale ? quindi rappresentata da uno strato 11 di rivestimento della cavit? 12 avente spessore tra 5 e 100 ?m.
In aggiunta, per quanto riguarda la realizzazione delle cavit? 12, ? possibile prevedere due tipologie di soluzioni, in funzione dei diversi materiali bulk:
- Realizzazione integrale della cavit? 12 in materiale a basso Z ricoperto dello strato 11, preferibilmente di rame;
- Realizzazione in materiale a basso Z solo della parte centrale della cavit? 11, laddove ? maggiore la probabilit? di scattering con il fascio elettroni.
Si noti che la realizzazione in materiale a basso Z solo della parte centrale della cavit? 12, come descritto al precedente punto 2, permette di lasciare inalterato il processo di saldo brasatura, ad esempio del linac, e che la saldo brasatura della parte interna risulta meno critica, non dovendo garantire la tenuta del vuoto.
Nelle figure 9, 10A e 10B viene riportata, schematicamente, un esempio di realizzazione della parte centrale della cavit? 12 a radio frequenza, avente uno strato 11 di materiale a basso Z.
Naturalmente, i disegni si riferiscono, solo a titolo di esempio, ad un linac operante nel modo ?/2 ma ovviamente tale soluzione ? applicabile a qualsiasi tipologia di linac, anche per applicazioni industriali e quindi per controlli non distruttivi.
Vantaggiosamente, tali soluzioni consentono una riduzione del peso della struttura 10 accelerante, mantenendola schermata. In questo modo, sempre vantaggiosamente, vi ? una riduzione drammatica della radiazione diffusa per il paziente e una riduzione della schermatura necessaria nel bunker.
Dalla descrizione effettuata del dispositivo per il trattamento radioterapico di malati oncologici, secondo l?invenzione e secondo gli esempi illustrati in dettaglio nelle figure in allegato, sono chiari i vantaggi ottenuti.
Infine, tutti i dettagli descritti potranno essere sostituiti da altri elementi tecnicamente equivalenti; in particolare, l?invenzione cos? concepita e qui illustrata ? suscettibile di numerose modifiche e varianti tutte rientranti nell?ambito del concetto inventivo delle rivendicazioni allegate.
Claims (7)
1. Dispositivo (10) per il trattamento radioterapico, in particolare, una struttura accelerante di un fascio di elettroni, comprendente almeno una cavit? (12) accelerante a radiofrequenza, caratterizzato dal fatto di essere realizzato in un primo materiale con numero atomico o Z minore o uguale a 29, ed in cui detta cavit? (12) comprende una deposizione di uno strato (11) di un secondo materiale con numero atomico o Z minore o uguale a 29, in modo tale da ridurre un peso della struttura (10) accelerante, mantenendola schermata, e riducendo la radiazione diffusa per un paziente.
2. Dispositivo (10) per il trattamento radioterapico come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta cavit? (12) in detto primo materiale ? ricoperta totalmente da detto strato (11) di detto secondo materiale.
3. Dispositivo (10) per il trattamento radioterapico come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta cavit? (12) in detto primo materiale ? ricoperta solamente in una porzione centrale di detto strato (11) di detto secondo materiale.
4. Dispositivo (10) come ad almeno una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto primo materiale e detto secondo materiale hanno una temperatura di fusione maggiore di 800? C.
5. Dispositivo (10) come ad almeno una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto strato (11) di secondo materiale presenta uno spessore maggiore di uno spessore di penetrazione di un campo elettrico nel conduttore, preferibilmente compreso tra i 5 ed i 100 ?m.
6. Dispositivo (10) come ad almeno una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto primo materiale e detto secondo materiale sono realizzati, indipendentemente, in uno a scelta tra i seguenti materiali: rame o Alluminio o Allumina (Al2O3) o Carburo di Silicio (SiC) o Carbonio.
7. Dispositivo (10) come ad almeno una delle rivendicazioni 1-6, caratterizzato dal fatto che detto dispositivo (10) ? inserito in un linac dedicato alla IORT, oppure in un linac dedicato alla VHEE, oppure in un linac dedicato alle applicazioni industriali e quindi per controlli non distruttivi.
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Also Published As
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