A CERN és a gyógyítás Ujvári Balázs Gamma Sugársebészeti Központ Debrecen (2009-2012)
Fizika a gyógyítás szolgálatában HTP 2016
1
LHC GY OR S ÍTÓ
CMS,ATLAS WWW,GRID DET EKT T OR
SZÁM S Á ÍÍTÓ Ó GÉP
S. Van der Meer (1984) G. Charpak (1992) Sir Tim Berners Lee gyorsító fejlesztés sokszálas detektor világháló Számítógép (robot vezérlés, képalkotás)
Gyorsító
Számítógép (robot vezérlés) Detektor
Detektor 2
Három alapvető eszköz:
• Részecskegyorsítók • Részecskedetektorok • Számítógépek
Hatalmas előrelépés nekik köszönhetően... …a fizikában és
M. S. Livingston és E. Lawrence a 25-coll átmérőjű ciklotronnal
• Orvosi diagnosztikában • Sugárzásos rákkezelésben
Fermi Geiger-Müller számlálója Rómában Fizika a gyógyítás szolgálatában HTP 2016
3
1930: a ciklotron létrehozása
Felgyorsított atommag spirális pályája
Ernest Lawrence (1901 – 1958) Modern ciklotron
Másolat látható a CERN Microcosm kiállításán Fizika a gyógyítás szolgálatában HTP 2016
4
A Lawrence-fivérek
John Lawrence, Ernest fivére, orvos volt Mindketten Berkeley-ben dolgoztak Mesterséges izotóp első alkalmazása orvosi diagnosztikában A nukleáris medicina kezdete John H. Lawrence használt először mesterségesen előállított radioaktív 32P-t a leukémia terápiájában (1936)
Az interdiszciplináris környezet segíti az innovációt!
Fizika a gyógyítás szolgálatában HTP 2016
5
A világ működő gyorsítói GYORSÍTÓTÍPUS Nagyenergiás (E >1GeV)
HASZNÁLATBAN (*) ~120
Szinkrotron sugárzó
>100
Radioizotópok készítése orvosi célra
~200
Sugárterápiás gyorsító Kutatógyorsítók orvosi kutatásokra
> 7500 9000 ~1000
Ipari alkalmazású gyorsítók
~1500
Ion implanterek, felületkezelésre szolgálók
>7000
ÖSSZESEN
> 17500
(*) W. Maciszewski and W. Scharf: Int. J. of Radiation Oncology, 2004
• A fele orvosi alkalmazásokat szolgál Fizika a gyógyítás szolgálatában HTP 2016
6
Részecskedetektorok
A részecskefizikusok "szeme"
Megdöbbentő fejlődés az utóbbi néhány évtizedben – Geiger -Müller számláló → ATLAS és CMS !
Létfontosságú sok orvosi alkalmazásban Fizika a gyógyítás szolgálatában HTP 2016
7
A diagnosztika lényeges! Computer Tomography (CT) Detektor-sor
Röntgen-cső
körbe forog
• Az elektronsűrűség mérése
• Morfológiai (alaktan) információ 3D-ben! Fizika a gyógyítás szolgálatában HTP 2016
8
Mágneses atommagrezonancia (NMR) • Nukleonoknak van mágneses momentuma, külső mágneses tér hatására az állapot felhasad.
1938-1945: Felix Bloch és Edward Purcell kidolgozza az NMR-t
• g 1954: Felix Bloch lett a CERN első főigazgatója Fizika a gyógyítás szolgálatában HTP 2016
9
Az MRI-szkenner SZÁMÍTÓGÉPEK!
Például: koponya rétegfelvételek Számítógépes kép- és adatfeldolgozás! Fizika a gyógyítás szolgálatában HTP 2016
10
Pozitron-Emissziós Tomográfia (PET) • 18F-al jelzett FDG a leggyakoribb
Protonok ~15 MeV, ~50 A
anyag (felezési idő 110 perc) • A 18F eloszlásának mérése 180fokban kibocsátott fotonokkal • Információ: metabolizmus
Gamma -detektorok (Pl. BGO kristályok)
PET-tomográf PET-kép
Ciklotron
Gyorsító Detektor
Számítógép
Fizika a gyógyítás szolgálatában HTP 2016
11
Metabolizmus-mérés PET-tel
A drogfüggő agya passzívabb Fizika a gyógyítás szolgálatában HTP 2016
12
Új diagnosztika: CT/PET morfológia
metabolizmus
David Townsend CERN: 1970-78
és Ronald Nutt (CTS – CTI)
Fizika a gyógyítás szolgálatában HTP 2016
13
Fizikai alapkutatás: részecskék azonosítása
Leadott energia: Bragg-csúcs L3 at LEP
Orvosi alkalmazás rákkezelés hadronokkal Dr. Sükösd Csaba
HTP2015 2015.augusztus 21.
14
A hadronterápia alapelve Protonok 200 MeV 1 nA Szénionok 4800 MeV 0.1 nA
Dr. Sükösd Csaba
27 cm Tumor target Hadronnyaláb anyagban lassul Bragg-csúcs: maximális energiavesztés tumorban Jobb igazítás a tumor alakjához → ép szövet kímélése Töltött hadronok jól terelhetők Nehéz ionok biológiai hatása nagyobb
HTP2015 2015.augusztus 21.
15
Dóziseloszlás: aktív söpörtetés Hosszanti irány paciens
Transzverzális irány lassú
gyors
nyaláb
függőleges vízszintes söpörtetés söpörtetés nyaláb tumor térfogat
Energia változtatása
Új technika, jórészt a GSI-ben és PSI-ben fejlesztve Dr. Sükösd Csaba
HTP2015 2015.augusztus 21.
16
Protonterápiás állvány
Dr. Sükösd Csaba
HTP2015 2015.augusztus 21.
17
The Loma Linda University Medical Center (USA) • Az első kórházi protonterápiás centrum, 1993ban épült • napi ~160 kezelés • ~1000 beteg/év
Dr. Sükösd Csaba
XXXIV. Fizikusnapok Debrecen 2013.11.21
18
Mit tud csinálni egy részecskefizikán szocializálódott kutató a klinikákon? • Szimulál (nem úgy értem….) • Kiértékelő algoritmusokon dolgozik • Álmodozik
Fizika a gyógyítás szolgálatában HTP 2016
19
Rotációs gammasugársebészeti rendszer
Fizika a gyógyítás szolgálatában HTP 2016
20
Geant szimuláció
Fizika a gyógyítás szolgálatában HTP 2016
21
Mit tanulunk egy szimulációból
Fizika a gyógyítás szolgálatában HTP 2016
22
Fantom
Fizika a gyógyítás szolgálatában HTP 2016
23
Fantom besugárzása
Töltésmennyiség (nC)
Szimuláció 10 millió gammával 8
6 4 2 0 b20 b16 b12 b8 b4 null j4 j8 Mérési pozíció (mm)
j12 j16 j20
Fizika a gyógyítás szolgálatában HTP 2016
24
El tudunk játszani egy kezelést
Fizika a gyógyítás szolgálatában HTP 2016
25
Fizika a gyógyítás szolgálatában HTP 2016
26
Fizika a gyógyítás szolgálatában HTP 2016
27
Fizika a gyógyítás szolgálatában HTP 2016
28
Fizika a gyógyítás szolgálatában HTP 2016
29
Fizika a gyógyítás szolgálatában HTP 2016
30
Fizika a gyógyítás szolgálatában HTP 2016
31
Fizika a gyógyítás szolgálatában HTP 2016
32
Fizika a gyógyítás szolgálatában HTP 2016
33
Hogyan lehetne ezt rendesen csinálni? • Rengeteg térfogatot megvizsgálni, hogy melyik a legjobb kereső algoritmus • Ez a legjobb eszköz (4,8,14,18 optimális?) • Az eszköz geometriáját változtatva megkeresni a legjobbat • Szuperszámítógép nem elég rugalmas • Cloud computing, elosztott keresés, tanuló algoritmusok… Fizika a gyógyítás szolgálatában HTP 2016
34
