Partikelterapi. Niels Bassler

Transkript

1 Partikelterapi APTG - Aarhus Particle Therapy Group Institut for Fysik og Astronomi, Aarhus Universitet Afdeling for Eksperimentel Klinisk Onkologi,Aarhus Universitetshospital Årskursus for de Faglige Foreninger, 24.Oktober 2013

2 Stråleterapi, i bedste fald: 100 % dosis i svulsten 0 % dosis i det raske væv Dosis: afsat energi per masseenhed Gray (J/kg)

3

4 Konventionel stråleterapi (Rendering produced by Tomas Lundberg of MDS-Nordion.)

5

6 Partikelterapi

7 Konventionel stråleterapi: fotoner og sommetider elektroner Partikelterapi er et fælles begreb der omfatter flere betydninger: Protonterapi (kun protoner) Hadronterapi (alle ioner, ink. neutroner) Lette ioner (inkonsistent definition) Tunge ioner (inkonsistent definition) Protoner (siden 50erne) Ioner (He, Li, B... C, Ne..) Kendt siden 50erne, men startede for alvor i patienter behandlet. 37 aktive centre i dag patienter behandlet. 6 aktive centre i dag. Primært kulstof-12 (10292 pt.) (kilde: PTCOG, Maj 2013) (Stråleterapi med neutroner og pi-mesoner blev også anvendt på patienter, dog ikke medregnet her.) 7

8 Protonterapi Proton: en brintkerne uden elektronen. Protoner er ca. 2000x tungere end elektroner. 8

9 Protonterapi 150 MeV Protoner Bragg-peak Lette partikler (elektroner, fotoner) spreder meget ved passage gennem stof => ringe konformitet. Tungere partikler spreder mindre. => stråleterapi med partikler? 9

10 SOBP = Spread out Bragg Peak

11 Klinisk relevans af dybde-dosis kurve Photons Protons 11

12 Proton Therapy (Medulloblastoma) X-rays Betydelig reduktion af dosis i raskt væv IMRT PROTONS 3D CRT, RapidArc and IMPT. Brodin et. al. Niels ClairBassler et. al. 12

13 Protonterapi Weber et. al. 13

14 Protonacceleratorer 14

15 Protonacceleratorer (Tsukuba, PMRC) Protonsynkrotron bygget af Hitachi Superledende protoncyklotron bygget af VARIAN/ACCEL (Tyskland) ~ 8 m diameter Pulset beam Energiskrift mulig fra puls til puls Større version kan accelerere protoner såvel som kulstofioner (SIEMENS/Danfysik, Mitsubishi, Hitachi) ~ 3 m diameter DC beam, høj strøm (>500nA) Lave vedligeholdesomkostininger, simpel maskine Monoenergetisk, -> strålen tabes i rækkeviddemodulatoren som bliver radioaktiv Kun en partikeltype kan accelereres. (ACCEL) 15

16 Passiv modulering De fleste eksisterende anælg er passiv modulerende Robust, godt for bevægelige targets Kræver et værksted som fræser patientspecifikke dele (kollimator, compensator) Giver ~ x flere sekundære neutroner end aktiv scanning => øget sekundær cancer risiko Højdosisområder udenfor tumor 16

17 Aktiv modulering = Spot scanning / Raster scanning (ikke helt det samme, men ) Nyere faciliteter tilbyder denne løsning (MD Anderson, HIT,...) Reducerer unødvendige højdosisområder Reducerer risiko for sekundær cancer Intensitetsmoduleret partikelterapi (IMPT) er muligt 17

18 Spot scanning / Raster scanning Spot scanning at PSI (psi.ch) 18

19 Interplay effekter ved spotscanning (C. Bert et al.) Kan reduceres ved Re-scanning Aktiv tracking 19

20 Aktive faciliteter for partikelterapi ptcog.web.psi.ch Feb 2012 S=Synchroton C=Cyclotron ** beam scanning *** spread beam & scanning **** degraded beam ***** new cyclotron since July 2010, gantry since Oct

21 Partikelterapi planlagte faciliteter ptcog.web.psi.ch Feb

22 Tidlige faciliteter lignede mest fysiklaboratorier (og det var de også). (Uppsala, Sweden) 22

23 Eksempel på en moderne protonterapifacilitet: Rinecker Proton Therapy Center (RPTC-1) 23

24 Protonterapi RPTC Munich Cyklotron 4 Gantries + 1 vandret stråleføring forventer 4000 patientbehandlinger per år. (ACCEL) 24

25 Protonterapi RPTC München Superledende cyklotron max: 250 MeV protoner (rptc.de) 25

26 Protonterapi RPTC München Stråleføring fra cyklotron til de 5 behandlingsrum. (Beam føres kun til et af rummene ad gangen.) (rptc.de) 4 Isocentriske proton gantries, (rptc.de) 26

27 Protonterapi RPTC München Røntgen-guided fuldautomatisk patient positionering. 2x MR scannere 2x kombinerede PET-CT scannere Full body staging examination, (~360 5 mm slices), lokaliserer tumorer og metastaser Fx. lungetumorer. Med bedøvelse bliver åndedrættet afbrudt under bestråingen (isf. gating), for at undgå positioneringsfejl. (rptc.de) RPTC gantry nozzle Anslået pris per komplet behandling ink. diagnose: Planagt også i Køln og Leipzig. 27

28 Tunge ioner (dvs.: tungere end protoner) 28

29 Protoner vs. C-12 Ioner - Fysisk Dosis Kernefragmenter 29

30 Protoner og Kulstofioner 30

31 Beam broadening Radiat Prot Dosimetry (2009) 137 (1-2): O. Jäkel Protoner lateralt ikke bedre end fotoner ([sic] det er i mm) 31

32 Hvorfor C-12 ioner? 1) Fysik: Kulioner er tungere, spreder derfor mindre end protoner => stejle laterale dosisgradienter (jvf billede) 2) Anden radiobiologi! 32

33 Lidt Radiobiologi og Lidt Matematik 33

34 A system with n sensitive elements

35 A system with n sensitive elements receives a dose D which in average causes N lethal events N=1

36 A system with n sensitive elements receives a dose D which in average causes N lethal events Surviving fraction: S = exp(-n) N=1 S = 0.37

37 A system with n sensitive elements receives a dose D which in average causes N lethal events Surviving fraction: S = exp(-n) Note: LQ model is empirical. N = αd + βd² S = exp(-αd - βd²) N=1 S = lethal event in average = 37 % survival

38 LQ-modellen S = exp(-αd - βd²) Semi-empirisk Fænomenologisk Men virker forbløffende godt, standard for alt hvad der foregår i klinikken

39 Radiobiologi af partikelterapi med ioner Dosis alene er IKKE tilstrækkeligt til at karakterisere biologisk effekt af kulstofioner Stråling med HØJ ionisationstæthed (~ LET) laver MERE celleskade for den SAMME fysiske dosis. => Højere Relativ Biologisk Effektivitet (RBE) 39

40 V79 Kinesiske Hamster Celler, RBE S = exp(-αd βd²) Protoner : afhænger af stråletype ( strålekvalitet ) Kulstofioner 40

41 RBE af Kulstofioner Kulstofioner har betydelig højere RBE, specielt i peak regionen sammenlignet med protoner. reference med alm. fotoner 41

42 Kulstofioner Biologisk dosisoptimering RBE er IKKE konstant igennem dybde-dosis kurven Physical dose optimization Biological dose optimization C12 Dose in Gy depth in mm RBE Dose in Gy C12 depth in mm Der findes kun et dosisplanlægningsprogram der kan gøre dette : TRiP. I Japan antager man RBE værdier afledt af neutron eksperimenter 42

43 Indikationer behandlet med kulioner hos GSI: (S. Combs) 43

44 Clinical trial I: skull base chordoma (150 pts) C12 as primary RT: Gy (RBE) in 20 Fx Carbon RT Particle RT Conventional RT [Schulz-Ertner et al., IJROBP 2006] Niels Excellent Bassler treatment option also for recurrent SB tumors (~80 pat.) 44

45 Example: Recurrent Clivuschordoma subtotal resection 1996 proton therapy 79.2GyE, / Gy FSRT + 27 GyE C12 at recurrency Prior to RT 6 m post RT (O. Jäkel) Large individual variability in radio-sensitivity is not yet understood 45

46 (S. Combs) 46

47 Heavy Ions for therapy in Europe Operating: - HIT (Heidelberg) - CNAO (Pavia) Coming up: MedAustron (Wiener Neustadt) Ready and Pending: Marburg Dismantled Kiel 47

48 Partikelterapi i Heidelberg: HIT Sammenarbejde med HIT, DKFZ og UniKlinikum Heidelberg HIT er startet med patientbehandling nov forventer ~ 1500 pt /år Protoner og kulstofioner, senere også helium og oxygen (HIT: Heidelberg Ion Therapy) 48

49 Kulstofioner Uafklarede spørgsmål: - hvad er den biologisk effektive dosis? - er kulioner bedre end protoner? For hvilke tumortyper? - er der sene effekter af behandlingen? Stråleterapi med kulstofioner er eksperimentelt. HIT / Heidelberg er blevet bygget netop for at belyse disse spørgsmål. 49

50 Priser: FOTONER: 1 konventionel behandling, Tyskland : PROTONER PSI, Schweiz : (uden transport og opholdsudgifter): Rinecker, München (Diagnostisering 1 k ) : Boston, USA Massachusetts General Hospital: (inkl. transport, ophold, personaleomk. Etc.) KULSTOFIONER (uden. transport og opholdsudgifter.) HIT, Tyskland: NIRS, Japan: TERA, Italien Lyon Etoile, Frankrig Medaustron, Østrig Karolinska, Sverige ~3-5 k 20 k 20 k / ~43 k 100 k 23 k 23.5 k 25 k 23 k 24 k 25 k 50

51 Kemoterapi Præparat Yondelis Nexavar Hycamtin Tarceva Iressa Herceptin Avastin Xeloda MabThera Tyverb Sutent Erbitux Alimta Pris for 1 års behandling Effekt (# +måneder i snit) ikke eftervist ikke eftervist ikke eftervist ikke eftervist Der Spiegel 20/

52 Partikelterapi i Danmark? 52

53 Protoner ved ASTRID 53

54 Protoner ved ASTRID 54

55 (December 2010) 55

56 Patienter til Protonterapi i Danmark Danske og internationale rapporter: Protonterapi relevant i op til 15% af patienter som modtager stråleterapi ~ 1500 potentielle patienter i Danmark pr år ~ 85% bør indgår i kliniske studier for at etablere evidens Danske sundhedssystem er ideelt for store nationale klniske studier

57 57

58 Afgørelsen 19. December 2012 Det internationale ekspertpanel har i sin rapport af 19. november 2012 afgivet en klar anbefaling af at der kun oprettes ét center for partikelterapi i Danmark, og at dette center placeres på Aarhus Universitetshospital. Sundhedsstyrelsen tilslutter sig panelets anbefaling vedr. både placering og proces, herunder også anbefalingerne om ikke at forcere processen med etablering af centeret, at sikre samarbejde mellem værtsinstitution, relevante myndigheder, eksterne eksperter mhp. udvikling af en strategisk business case, og at sikre en bredt funderet national styringsramme for centeret.

59 Det Ny Universitetshospital (DNU) - Skejby NCPRT

60 The Danish National Center for Particle Radiotherapy 60

61 Faciliteten Proton accelerator To gantries Forskningsbeamline Rum til 3. gantry 100 mil. EUR

62 National Collaboration and Referral

63 Implementation 2017: Ready for first patient 2019: Capacity 1000 patients/year 2020: Decision on third gantry (10 mil EUR) 2023: Capacity 1500 patients/year

64