A fizika egészségünk szolgálatában

A fizika egészségünk szolgálatában

Tartalom • Törté rténeti bevezetı bevezet

Dr. Sükösd Csaba BME Nukleáris Technikai Intézet

• Gyorsí Gyorsítós diagnosztika • Hagyomá Hagyományos sugá sugárterá rterápia • HadronHadron-terá terápia • Jövık kép

Dr. Sükösd Csaba

Fizikatanári Ankét Székesfehérvár 2013.03.16

1

Dr. Sükösd Csaba


2

A modern fizika és az orvosi fizika kezdete

A kezdet • 1895 novembere: novembere: Röntgensugá ntgensugárzá rzás

Henri Becquerel (1852(1852-1908) 1908) 1896: Termé Természetes radioaktivitá dioaktivitás 1898: Rádium

Wilhelm Conrad Röntgen

Marie Curie dolgozata 1904-ben:

• 1895 decembere: decembere: az elsı elsı átvilá tvilágítás Mintegy szá száz éve Dr. Sükösd Csaba


3

Dr. Sükösd Csaba

α, β, γ mágneses térben

Maria Skł Skłodowska Curie Pierre Curie (1859 – 1906) (1867 – 1934) 1906) 1934)


4

1

Elsı alkalmazások a rák kezelésében

Hatalmas elırelépés... …a fiziká fizikában és • Orvosi diagnosztiká diagnosztikában

Alapelv: Alapelv: A tumor helyi kezelé kezelése

• Sugá Sugárzá rzásos rákkezelé kkezelésben

három alapvetı alapvetı eszkö eszköznek köszö szönhetı nhetıen: en:

M. S. Livingston és E. Lawrence a 2525-inches ciklotronnal

• Részecskegyorsí szecskegyorsítók 1908: az elsı elsı kísérlet bırrá rrák sugá sugárzá rzásos kezelé kezelésére Franciaorszá Franciaországban (“Curiethé Curiethérapie” rapie”) Fizikatanári Ankét Székesfehérvár 2013.03.16

Dr. Sükösd Csaba

5

• Részecskedetektorok • Szá Számítógépek Fermi GeigerGeiger-Müller szá számlá mlálója Rómában Dr. Sükösd Csaba

1930: a ciklotron létrehozása


A LawrenceLawrence-fivérek

Felgyorsí Felgyorsított atommag spirá spirális pályá lyája

Ernest Lawrence (1901 – 1958) Modern ciklotron

Dr. Sükösd Csaba

7

John Lawrence, Ernest fivére, vére, orvos volt Mindketten BerkeleyBerkeleyben dolgoztak Mesterséges izotóp elsı alkalmazása orvosi diagnosztikádiagnosztikában A nukleáris medicina kezdete

John Lawrence használt Az H. interdiszcipliná áris interdiszciplin elıször mesterségesen elıelıkörnyezet segí í ti az seg állított radioaktív 32P-t a innová á ció ó t ! innov ci leukémia terápiájában (1936)

Másolat látható tható a CERN Microcosm kiá kiállí llításán Fizikatanári Ankét Székesfehérvár 2013.03.16

6

Dr. Sükösd Csaba


8

2

Rádiofrekvenciás lineáris lineáris gyorsító protonok és ionok gyorsítására

A neutron felfedezése 1932

Az atomokban elektronok keringenek

Lineá Lineáris gyorsí gyorsító (linac) linac)

James Chadwick az atommag körül,

(1891 – 1974) 1974)

λ= 1.5 m 200 MHz

…amely protonokból

...és neutronokból áll

Ernest Rutherford Neutronokkal ma taní tanítvá tványa - Izotó zotópokat állí llítanak elı elı orvosi diagnosztiká diagnosztikára és terá terápiá piára - Gyó Gyógyí gyítanak egyes rákfajtá kfajtákat Fizikatanári Ankét Székesfehérvár 2013.03.16

Dr. Sükösd Csaba

9

100 MeVMeV-es linac a CERN MikrokozmoszMikrokozmoszkiá kiállí llításán

Sigurd Varian

1946 – Driftcsö Driftcsöves linac


Dr. Sükösd Csaba

A lineáris elektronelektron-gyorsító

L. Alvarez

A világ mőködı gyorsítói

William W. Hansen

GYORSÍ GYORSÍTÓTÍPUS Nagyenergiás (E >1GeV)

HASZNÁ HASZNÁLATBAN (*) (*) ~120

Szinkrotronsugá Szinkrotronsugárzó rzó

>100

Radioizot dioizotó ópok készí szítése orvosi célra

Russell Varian 1939: A klisztron feltalá feltalálása

Dr. Sükösd Csaba

> 7500 9000 ~1000

Ipari alkalmazású gyorsítók

~1500

Ion implanterek, felületkezelésre szolgálók

>7000

~1m

> 17500

(*) W. Maciszewski and W. Scharf: Int. J. of Radiation Oncology, 2004

1947 elsı elsı elektronelektron-linac 4.5 MeV and 3 GHz


~200

Sugá Sugárterá rterápiá piás gyorsí gyorsító Kutatógyorsítók orvosi kutatásokra

TOTAL A kórhá rházak hagyomá hagyományos sugá sugárterá rterápiá piája ma is elektronelektronlinacot haszná használ

10

• A fele orvosi alkalmazá alkalmazásokat szolgá szolgál 11

Dr. Sükösd Csaba


12

3

Példa: Példa: sokszálas proporcionális számláló. számláló.

Részecskedetektorok

A részecskefizikusok "szeme" szeme"

Impresszív fejlıdés az utóbbi néhány évtizedben – Geiger -Müller számláló → ATLAS és CMS !

Georges Charpak (1924(1924-2010), 2010), CERNCERN-i fizikus 1959 óta, ta, NobelNobel-díj: 1992

Létfontosságú sok orvosi alkalmazásban • Elké Elkészü szült 19681968-ban

• Elindí lindította a tisztá tisztán elektronikus részecskeszecske-észlelé szlelést • A bioló biológiai kutatá kutatások is alkalmazzá alkalmazzák • Nemsoká emsokára helyettesí helyettesítheti a ra radiobioló diobiológiá giát. • A megnö megnövekedett adatrö adatrögzí gzítési sebessé sebesség gyorsabb képalkotá palkotást (azaz kisebb sugá sugárterhelé rterhelést) és gyorsabb diagnosztiká diagnosztikát jelent jelent. Dr. Sükösd Csaba


13

Dr. Sükösd Csaba


14

A diagnosztika lényeges! lényeges! Computer Tomography (CT) (CT) Detektor-sor

Orvosdiagnosztikai alkalmazások

Röntgen-csı

körbe forog

• Az elektronső elektronsőrőség mé mérése

• Morfoló Morfológiai (alaktan) informá információ ció Dr. Sükösd Csaba


15

Dr. Sükösd Csaba


16

4

Mágneses atommagrezonancia atommagrezonancia (NMR)

MRI = Magnetic Resonance Imaging 1. Fı mágnes (0.5-1 T)

19381938-1945: Felix Bloch és Edward Purcell kidolgozza az NMRNMR-t

2. RF adó antenna 3. RF vevı antenna 4. Gradiens tekercsek

(nemcsak protonokkal lehet !)

Mit tud meghatá meghatározni? rozni?

Az atommagok két fontos tulajdonsága: 1 • Perdület (protonokra 2 h ) • Mágneses momentum Dr. Sükösd Csaba

1954: Felix Bloch lett

•A protonok (víz) sőrősége szö szövetekben

a CERN elsı elsı fıigazgató igazgatója


17

• Morfoló Morfológiai informá információ ció Dr. Sükösd Csaba


18

SPECT = Single Photon Emission Computer Tomography

Az MRIMRI-szkenner

Mőködése: Mőködése: • a testbe gammagamma-bomló radioaktív izotópot visznek be, bizonyos vegyülethez kötve. • ahol a vegyület feldúsul, onnan indulnak ki a gammagamma-sugarak. • A testbıl kijövı gammagamma-sugarakkal alkotunk képet • A radioaktí radioaktív izotó izotópot tartalmazó tartalmazó

molekulá molekulák eloszlá eloszlásának (sőrőségének) nek) mérése

Például: koponya rétegfelvételek

• Morfoló Morfológia és/vagy metabolizmus informá információ ció Dr. Sükösd Csaba


19

Dr. Sükösd Csaba

Sztatikus Fizikatanári Ankét Székesfehérvár 2013.03.16

Dinamikus 20

5

SPECT = Single Photon Emission Computer Tomography

SPECT

A leggyakrabban használt radioaktív izotóp: a technécium Elıállítása: reaktor lassú neutronjaival 98Mo + n = 99Mo + γ 99Mo (66 h) = 99mTc (6 h) + e- + ν

0.14 MeV-es gamma

A gammagamma-sugarakkal való képalkotáshoz nincsenek „lencsék”, ezért speciális kollimákollimátorokat használnak

Dr. Sükösd Csaba


21

SPECT scanner

1937: A techné echnécium elem felfedezé felfedezése 97Tc (2.6 My) My) 1938: A 99mTc felfedezé felfedezése E. McMillanMcMillan-nal Dr. Sükösd Csaba


22

PozitronPozitron-Emissziós Tomográfia (PET)

A nukleá nukleáris orvosi vizsgá vizsgálatok 85%85%-a a reaktorok lassú lassú neutronjaival elı elıállí llított techné technéciumot haszná használja … máj t üdı csont …

Emilio Segrè

Scanner: A detektorfej forog

• 18F-al jelzett FDG a leggyakoribb

Protonok ~15 MeV, MeV, ~50 µA

anyag (felezé (felezési idı idı 110 perc) perc) • A 18F eloszlá eloszlásának mé mérése 180180fokban kibocsá kibocsátott fotonokkal • Informá Információ ció: metabolizmus Gamma -detektorok (Pl. BGO kristá kristályok)

Ólom kollimátorok a 0.14 MeV-es gammák terelésére

PETPET-tomográ tomográf

Ciklotron

PETPET-kép 0.14 MeV gammák

Dr. Sükösd Csaba


23

Dr. Sükösd Csaba


24

6

Hogyan mőködik?

H218O vizet bombázunk protonnal keltésére (p,n) reakció

FluoroFluoro-DeoxyDeoxy-D-Glucose (FDG) szintézise

Glucose

MetabolizmusMetabolizmus-mérés PETPET-tel

18F

FDG

FDGFDG-t a kó kórhá rházba szá szállí llítjá tják FDG -t beadjá beadják a betegnek FDG csapdá csapdába esik a sejtekben, amelyek metabolizá metabolizálni pró próbáljá lják. A koncentrá koncentráció ciója a glü glükóz-metabolizmus sebessé sebességével ará arányos

A tumorok glü glükóz-metabolizmusa igen aktí aktív, “forró forró foltok” foltok” a PETPETképeken. Fizikatanári Ankét Székesfehérvár 2013.03.16

Dr. Sükösd Csaba

25

Dr. Sükösd Csaba

A kokainfüggı agya passzívabb Fizikatanári Ankét Székesfehérvár 2013.03.16

26

Új diagnosztika: diagnosztika: CT/PET morfoló morfológia

metabolizmus

David Townsend CERN: 19701970-78 és

Alkalmazás sugárzásos rákkezelésben (sugárterápia)

Ronald Nutt (CTS – CTI) CTI)

Dr. Sükösd Csaba


27

Dr. Sükösd Csaba


28

7

Módszerek

Radioaktivitás a rák kezelésében

Brachiterápia: Brachiterápia: Sugárforrás elhelyezése a testben RadioRadio-immunoterápia: immunoterápia: Az izotópot szelektív vektor hordozza Teleterápia: Teleterápia: Tumor bombázása külsı forrású sugárzással

Radioaktí Radioaktív tők bevitel elı elıtt

célzott radioradio-immunoterá immunoterápia α részecské szecskék BizmutBizmut-213213-ból leuké leukémiá miára β részecské szecskék YttriumYttrium-9090-bıl

glioblastomá glioblastomára (agytumor(agytumor-fajta) fajta)

teleterá teleterápia gamma CobaltCobalt-6060-ból

mély tumorra

CobaltCobalt-60 (~1 MeVMeV-es gammá gammák) 60Co

elı elıállí llítása: atomreaktorban lassú lassú neutronokkal

70...150 tő tő bevitele Dr. Sükösd Csaba


29

Dr. Sükösd Csaba


30

ElektronElektron-linac orvosi célra

Teleterápia röntgensugárral e- + target → X

Elektron-linac 3 GHz target

6-20 MeV [1000 x Röntgen]

• ElektronElektron-linac kelt rö röntgenntgen-sugá sugárzá rzást

• 20'000 pá páciens/é ciens/év/10 millió millió lakos Dr. Sükösd Csaba


31

Dr. Sükösd Csaba


32

8

Mi van az orvosi besugárzásra használt LINAC belsejében?

Computerized Treatment Planning System (TPS) • CT scan alapján: • tervezik a besugárzandó térfogatot • megválasztják a sugárzási teret • kiszámítják a célterület és az egészséges szövet dózisát • A számolt dózist 3040 (cca. 2 Gray) adagban adják.


Dr. Sükösd Csaba

33

A röntgenterápia problémája Photons


Dr. Sükösd Csaba

34

A röntgenterápia problémája

Protons

Megoldá Megoldás:

Röntgennyaláb

• Sok keresztezett nyalá nyaláb • Intensity Modulation Radiation Therapy (IMRT) (IMRT) 9 kü különbö nbözı fotonnyalá fotonnyaláb Az egé egészsé szséges szö szövetbe vitt dó dózis limitá limitál!

Dózisszint Célterület • Az ép sejteket is roncsolja • Nem szelektí szelektív Dr. Sükösd Csaba


Fıleg a kö közeli szervek veszé veszélyben (OAR: Organs At Risk) Risk) 35

Dr. Sükösd Csaba


36

9

Prosztatarák kezelése: szimuláció

IntenzitásIntenzitás-modulált sugárterápia (IMRT) 3-fields IMRT

Prescription Dose OR PTV

• Többrétegő kollimátor, kollimátor, amely mozog besugárzás alatt • Konká Konkáv dó dózisté zistérfogat is elé elérhetı rhetı

Prosztatará Prosztatarák kezelé kezelésének elı elıkészí szítése szimulá szimuláció cióval

• Idı Idıigé igényes (bizonyos esetekben haszná használjá lják) k) Dr. Sükösd Csaba


Sokszeletes kollimá kollimátor

37

Dr. Sükösd Csaba

Konformális dóziseloszlás IMRTIMRT-vel


38

Lineáris gyorsító + röntgenröntgen-CT

Daganat: 70 Gy Terjedési régió: 50 Gy Gerincvelı: < 25 Gy

Dr. Sükösd Csaba


39

Dr. Sükösd Csaba


40

10

Cyberknife: Cyberknife: lineáris gyorsító robotkaron

A “kiber “kiber--kés” kés”

Könnyő 6 MVMV-os röntgenröntgenlinac robotkarra szerelve

Kezelés alatti átvilágítással ellenırzik a sérülés helyét és a kezelés folyamatát

Több részletben végezhetı

Kis térfogatú tumorok kezelésére ( Agy, Agy, fejfej-nyak, nyak, tüdı, tüdı, hátgerinc, hátgerinc, lágyék, lágyék, ágyék) ágyék)

Pontos célzá lzás

Dr. Sükösd Csaba

Sokmezı Sokmezıs besugá besugárzá rzás


41

Intra Operative Radiation Therapy (IORT)


Dr. Sükösd Csaba

42

Csinálhatjuk még jobban? jobban? 2 X ray beams

9 X ray beams (IMRT) (IMRT)

Elektronbesugá Elektronbesugárzá rzás operá operáció ció alatt Elektronenergia: Elektronenergia: 3 – 9 MeV Dózisterhelé zisterhelés: 6 – 30 Gy/min Gy/min Besugá Besugárzá rzási idı idı (21 Gy): Gy): 0.7 – 3.5 min

A részecskefizi szecskefizikus kérdé rdése: se: VanVan-e jobb módszer a beteg szö szövet besugá besugárzá rzására és az egé egészsé szséges kímélésére? re? Válasz : Igen, Igen, a töltö ltött hadronnyalá hadronnyaláb!

Dr. Sükösd Csaba


43

Dr. Sükösd Csaba


44

11

A hadronterápia alapelve

Vissza a fizikához... fizikához... Fizikai alapkutatá alapkutatás: részecské szecskék azonosí azonosítása

27 cm

Protonok 200 MeV 1 nA

Leadott energia: energia: BraggBragg-csú csúcs

Tumor target

L3 at LEP

Hadronnyaláb anyagban lassul

Szé Szénionok 4800 MeV 0.1 nA

BraggBragg-csúcs: csúcs: maximális energiavesztés tumorban Jobb igazítás a tumor alakjához → ép szövet kímélése Töltött hadronok jól terelhetık Nehéz ionok biológiai hatása nagyobb

Talá Találós ké kérdé rdés: mié miért éppen proton és szé szénion?

Orvosi alkalmazá alkalmazás rákkezelé kkezelés hadronokkal Fizikatanári Ankét Székesfehérvár 2013.03.16

Dr. Sükösd Csaba

45


Dr. Sükösd Csaba

Dóziseloszlás: Dóziseloszlás: aktív söpörtetés

RöntgenRöntgen- és hadronnyaláb

Longitudiná Longitudinális sík Röntgen

46

Proton vagy szé szénion

Transz Transzverzá verzális sík

patient

fast

slow

nyaláb

horizontal scanning

vertical scanning

beam tumour volume

energy variation

Új technika, technika, jórészt a GSIGSI-ben és PSIPSI-ben fejlesztve Dr. Sükösd Csaba


47

Dr. Sükösd Csaba


48

12

Potenciális betegek száma 10 millió lakosra

Protonterápiás állvány

Study by AIRO, 2003 Italian Association for Oncological Radiotharapy

10 M lakosra Röntgenterá ntgenterápia: pia: 20' 20'000 beteg/é beteg/év Protonterá Protonterápia: pia: Röntgenkezeltek 12%12%-a = 2400 beteg/é beteg/év Szé Szénionnion-kezelé kezelés radioradio-rezisztens tumorra: tumorra: Röntgenkezeltek 3%3%-a = 600 beteg/é beteg/év TOTÁ TOTÁL cca. cca. 3000 beteg/é beteg/év 50 M lakosra Protonterá Protonterápia: pia: 44-5 centrum Szé Szénionnion-terá terápia: pia: 1 centrum Dr. Sükösd Csaba


49

The Loma Linda University Medical Center (USA)


Dr. Sükösd Csaba

50

Japán: Japán: 4 protonproton- és 2 szénionszénion-terápiás centrum

• Az elsı elsı kórhá rházi protonprotonterá terápiá piás centrum, centrum, 19931993ban épült

WAKASA BAY PROJECT by Wakasa-Bay Energy Research Center Fukui (2002) protons (≤ ≤ 200 MeV) synchrotron (Hitachi) 1 h beam + 1 v beam + 1 gantry

• napi ~160 kezelé kezelés • ~1000 beteg/é beteg/év

TSUKUBA CENTRE Ibaraki (2001) protons (≤ ≤ 270 MeV) synchrotron (Hitachi) 2 gantries 2 beams for research

HYOGO MED CENTRE Hyogo (2001) protons (≤ ≤ 230 MeV) - He and C ions (≤ ≤ 320 MeV/u) Mitsubishi synchrotron 2 p gantries + 2 fixed p beam + 2 ion rooms

KASHIWA CENTER Chiba (1998) protons (≤ ≤ 235 MeV) cyclotron (IBA – SHI) 2 Gantries + 1 hor. beam

carbon

HEAVY ION MEDICAL ACCELERATOR HIMAC of NIRS (1995) He and C (≤ ≤ 430 MeV/u) 2 synchrotrons 2 h beams + 2 v beams

proton

29 m linac

Dr. Sükösd Csaba


51

SHIZUOKA FACILITY

50 szénionos beteg Dr. Sükösd Csaba

Shizuoka (2002) Proton synchrotron 2 gantries + 1 h beam

2000 szénionos beteg


52

13

Protonterápia Krakkóban (Lengyelország) PROTEUS

PROSCAN (PSI) Villingen (Svájc)

ciklotron OPTIS

ACCEL SC ciklotron

Kisérlet

állvány

2. állvány

1. állvány

Készen van 2011. március: SzemSzem-radioterápia protonnyalábbal KözépKözép- KeletKelet-Európában elsınek Proton energia: 60 MeV

• SC 250 MeV protonproton-ciklotron • Új protonos állvá llvány Dr. Sükösd Csaba


53

Dr. Sükösd Csaba

Terv 2014 re: Komplex hadron (proton) terápiás központ felépítése (Eu (Eu támogatás) Proton energia: 6060-230 MeV


54

PET onon-beam

SzénionSzénion-terápia Európában 1998: kísérleti projekt (GSI, G. Kraft) Kraft) 200 beteg kezelé kezelése szé szénionnal

Szimuláció

A beteggel közölt ”való valódi” di” dózis mérése radioaktí radioaktív 11C ionionnyalá nyalábbal (PET)

Mérés

PET onon-beam Dr. Sükösd Csaba


55

Dr. Sükösd Csaba


56

14

Hadronterápia gyors neutronokkal

Heidelbergi IonnyalábIonnyaláb-terápiai Központ Heidelbergi Egyetem kó kórhá rházában Ünnepé nnepélyes megnyitá megnyitás: 2009 nov. 2

Berkeley, 1938

Terv: 1300 pá páciens / év

Szinkrotron: proton, szé szén-, hé héliumlium- és oxigé oxigénion

Dr. Sükösd Csaba


57

Neutron: Neutron: semleges → nincs BraggBragg-csúcs

MeVMeV-es neutronok ciklotronnal (p + Be reaction)

MeVMeV-es neutronokkal magreakció → nagy helyi sugárterhelés

RadioRadio-rezisztens tumorokra (nyálmirigy, nyálmirigy, nyelv, nyelv, agy) agy)

9 központban [pl. Orleans (F), Fermilab (USA)]

Dr. Sükösd Csaba

G.L. Locher javaslata, 19361936-ban (4 évvel a n felfedezése után !) Olyan atommagot vinni a ráksejtbe, amely neutronbefogásra töltött fragmentumokra hasad és így sok lokális energiát szabadít fel. 10B izotóp a legjobb: Van bıven (természetes B 20%20%-a) 10B(n,α B(n,α)7Li + 2,31 MeV energia Fragmentumai gyorsan lefékezıdnek (egy sejten belül) Jól ismert a bór kémiája

Nehé Nehézsé zség: Nehé Nehéz elé elérni szelektí szelektív lokalizá lokalizáció ciót a tumorban! Dr. Sükösd Csaba


59

58

Konklúzió

Boron Neutron Capture Therapy (BNCT)


A részecskefizika hatékony eszközöket kínál a többi tudománynak, az orvostudománynak is.

Betegségek vizsgálata, diagnosztikája és gyógyítása.

A megfelelı fejlesztéshez fizikusnak és orvosnak együtt kell dolgoznia.

A hadronterápia nagyon gyorsan fejlıdik: – Protonterápia népszerő és sokan csinálják – SzénionSzénion-terápia: több helyen elkezdték vagy tervezik – Neutronterápia, BNCT: kutatási fázisban

A részecskerészecske- és gyorsítófizika nemcsak szép, hasznos is.

Dr. Sükösd Csaba


60

15

Köszönöm a megtisztelı figyelmet !

Dr. Sükösd Csaba


61

16

A fizika egészségünk szolgálatában

Recommend Documents