A részecskefizika orvosi alkalmazásai

A részecskefizika orvosi alkalmazásai Horváth Dezső RMKI és ATOMKI

Forrás:

Saverio Braccini CERN-előadásai Fodor János, Major Tibor, Kásler Miklós: Korszerű sugárterápia: teleterápia MOTESZ Magazin, 2007/2

Vázlat

• Történeti bevezető • Gyorsítós diagnosztika • Hagyományos sugárterápia • HadronHadron-terápia • Jövőkép

CERN - 2009. aug. 20.

Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások

2

A kezdet • 1895 novembere: Röntgensugárzás

Wilhelm Conrad Röntgen

• 1895 decembere: az első átvilágítás

CERN - 2009. aug. 20.


3

A modern fizika és orvosfizika kezdete Henri Becquerel (1852 1852--1908 1908))

1896: Természetes rádioaktivitás

Mme. Curie dolgozata– 1904 α, β, γ mágneses térben

Mintegy száz éve

CERN - 2009. aug. 20.

1898: Rádium

Maria Skłodowska Curie Pierre Curie Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások (1867 – 1934) (1859 – 1906) 1906) 1934)

4

Első alkalmazás a rákkezelésben

Alapelv: A tumor helyi kezelése

1908: az első kísérlet bőrrák 1908: sugárzásos kezelésére Franciaországban (“Curiethérapie (“ Curiethérapie”) ”) CERN - 2009. aug. 20.


5

Hatalmas előrelépés…

…a fizikában és:

• Orvosi diagnosztikában • Sugárzásos rákkezelésben három alapvető eszköznek köszönhetően:

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

• Részecskegyorsítók • Részecskedetektorok • Számítógépek Fermi Geiger Geiger--Müller számlálója Rómában

CERN - 2009. aug. 20.


6

1930:: a ciklotron létrehozása 1930

Felgyorsított atommag spirális pályája

Ernest Lawrence (1901 – 1958) Modern ciklotron Másolat látható a CERN Microcosm kiállításán CERN - 2009. aug. 20.


7

A LawrenceLawrence-fívérek l

John Lawrence, Ernest fívére, orvos volt

l

Mindketten Berkeleyben dolgoztak

l

Mesterséges izotóp első alkalmazása orvosi diagnosztikában

l

A nukleáris medicina kezdete

Az interdiszciplináris környezet segíti az innovációt! CERN - 2009. aug. 20.


8

A neutron felfedezése 1932

James Chadwick (1891 – 1974) 1974)

Neutronokkal ma

Ernest Rutherford tanítványa CERN - 2009. aug. 20.

• izotópokat állítanak elő orvosi diagnosztikára és terápiára • Gyógyítanak bizonyos rákfajtákat


9

A lassú neutronok hatása

O. D’Agostino E. Segrè E. Amaldi F. Rasetti E. Fermi

1934: Jód Jód--rádioizotóp 50 új mesterséges elem között

CERN - 2009. aug. 20.


10

A szinkrotron 1944

függőleges mágneses tér

a fázisstabilitás elve

Körpályán gyorsított részecskék

1 GeVGeV-es elektron elektron--szinkrotron Frascati - INFN - 1959

Vekszler és McMillan 1959 - Berkeley CERN - 2009. aug. 20.


11

Rádiofrekvenciás linac protonok és ionok gyorsítására Lineáris gyorsító (linac)

λ= 1.5 m 200 MHz

100 MeVMeV-es linac a CERN Mikrokozmosz--kiállításán Mikrokozmosz

CERN - 2009. aug. 20.


L. Alvarez 1946 – Driftcsöves linac 12

A lineáris elektronelektron-gyorsító Sigurd Varian

William W. Hansen

Russell Varian

1939:: A klisztron feltalálása 1939 A kórházak hagyományos sugárterápiája ma is elektronelektron-linacot használ

CERN - 2009. aug. 20.

~1m 1947 első elektronelektron-linac 4.5 MeV and 3 GHz Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások

13

Kétüreges klisztron: mikrohullám erősítése

Elektronnyaláb sebességét gyenge mikrohullám modulálja → változó elektronsűrűség rezonátorban → intenzív mikrohullám CERN - 2009. aug. 20.


14

CERN: linaclinac-ok és erős fókuszálású szinkrotronok 8.5 km

Large Hadron Collider (7+7) TeV

A PS 19591959-ben

1952:: BNL (USA) “erős fókuszálási” módszere 1952 a CERN ProtonProton-Szinkrotronában (PS)

CERN - 2009. aug. 20.


15

A világ működő gyorsítói GYORSÍTÓTÍPUS

HASZNÁLATBAN (*) ~120

Nagyenergiás (E >1GeV) Szinkrotronsugárzó

>100

Rádioizotópok dioizotópok készítése orvosi célra

~200

Sugárterápiás gyorsító

> 7500 9000

Kutatógyorsítók orvosi kutatásokra

~1000

Ipari alkalmazású gyorsdítók

~1500

Ion implanterek, felületkezelésre szolgálók

>7000

> 17500

TOTAL

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

• A fele orvosi alkalmazásokat szolgál CERN - 2009. aug. 20.


16

Részecskedetektorok

l

A részecskefizikusok "szeme"

l

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

l

Létfontosságú sok orvosi alkalmazásban

CERN - 2009. aug. 20.


17

Példa: sokszálas proporcionális számláló.

Georges Charpak, CERN--i fizikus 1959 óta, CERN Nobel--díj: 1992 Nobel

• Elkészült 19681968-ban, elindította a tisztán elektronikus részecskeészlelést • A biológiai kutatások alkalmazzák; nemsokára helyettesítheti a rádiobiológiát • A megnövekedett adatrögzítési sebesség gyorsabb képalkotást jelen.

CERN - 2009. aug. 20.


18

Orvosdiagnosztikai alkalmazások

CERN - 2009. aug. 20.


19

A diagnosztika lényeges! Computer Tomography (CT)

• A elektronsűrűség mérése Ágyék

CERN - 2009. aug. 20.

• Morfológiai (alaktan) információ Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások

20

Magmágneses rezonancia (NMR) 1938--1945: 1938 Felix Bloch és Edward Purcell kidolgozza az NMRNMR-t

1954: Felix Bloch lett a CERN első főigazgatója CERN - 2009. aug. 20.


21

MRI = Magnetic Resonance Imaging 1.

Main magnet (0.5-1 T)

2.

Radio transmitter coil

3.

Radio receiver coil

4.

Gradient coils

• A protonok (víz) sűrűsége szövetekben • Morfológiai információ CERN - 2009. aug. 20.


22

Az MRIMRI-szkenner

CERN - 2009. aug. 20.


23

SPECT = Single Photon Emission Computer Tomography Reaktor lassú neutronjaival 98Mo + n = 99Mo + γ 99Mo (66 h) = 99mTc (6 h) + e- + ν

0.14 MeV-es gamma

Emilio Segrè 1937:: A “Technetium” elem felfedezése 97Tc( 1937 Tc(2 2.6 My) 1938:: A 1938

99m 99mTc

felfedezése E. McMillanMcMillan-nal

CERN - 2009. aug. 20.


24

A nukleáris orvosi vizsgálatok 85%--a a reaktorok lassú 85% neutronjaival előállított technéciumot használja

SPECT scanner • A technéciumot tartalmazó molekulák sűrűségének mérése • Morfológia és/vagy metabolizmus

… máj tüdő csont … Ólom kollimátorok a 0.14 MeV-es gammák terelésére

CERN - 2009. aug. 20.


Forgó fej detektorokkal

0.14 MeV gammák

25

Pozitron--Emissziós Tomográfia (PET) Pozitron • 18F-al jelzett FDG a leggyakoribb anyag (felezési idő 110 perc)

Protonok ~15 MeV, ~50 µA

• A 18F megoszlásának mérése 180180fokban szórt fotonokkal • Információ: metabolizmus Gamma -detektorok (Pl. BGO kristályok)

PET-tomográf PET-kép

CERN - 2009. aug. 20.


Ciklotron CT-PET

26

Hogyan működik? l

H218O vizet bombázunk protonnal

l

Fluoro--DeoxyFluoro Deoxy-D-Glucose (FDG) szintézise

Glucose

18F

keltésére

FDG

l FDG FDG--t a kórházban szállítják l FDG -t beadják a betegnek l FDG csapdába esik a sejtekben, amelyek metabolizálni próbálják. l A koncentrációja a glükózglükóz-metabolizmus sebességével arányos l A tumorok glükózglükóz-metabolizmusa igen aktív, “forró foltok” a PET PET--képeken.

CERN - 2009. aug. 20.


27

Metabolizmus--mérés PETMetabolizmus PET-tel

l

A kokainfüggő agya passzívabb

CERN - 2009. aug. 20.


28

Új diagnosztika: CT/PET morfológia

metabolizmus

David Townsend CERN: 19701970-78 és Ronald Nutt (CTS – CTI)

CERN - 2009. aug. 20.


29

Alkalmazás sugárzásos rákkezelésben

CERN - 2009. aug. 20.


30

Módszerek: brachiterápia l l l

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

Magok bevitel előtt

70...150 mag bevitele

CERN - 2009. aug. 20.


31

Radioaktívitás a rák kezelésében célzott radioradio-immunoterápia α részecskék BismuthBismuth-213213-ból

leukémiára

β részecskék YttriumYttrium-90 90--ből glioblastomára (agytumor--fajta) (agytumor teleterápia gamma CobaltCobalt-60 60--ból

mély tumorra

Cobalt--60 Cobalt (1 MeVMeV-es gamma) atomreaktorban lassú neutronokkal CERN - 2009. aug. 20.

Cobalt source Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások 2000

32

Teleterápia röntgensugárral e- + target → X

Elektron-linac 3 GHz target

6-20 MeV [1000 x Röntgen]

• Elektron Elektron--linac kelt gamma -sugárzást • 20'000 páciens/év/10 millió lakos CERN - 2009. aug. 20.


33

Elektron--linac orvosi célra Elektron

CERN - 2009. aug. 20.


34

Computerized Treatment Planning System (TPS) • CT szken alapján: • tervezik besugárzandó térfogatot • megválasztják a sugárzási teret • kiszámítják a target és az egészséges szövet dózisát • A számolt dózist 303040 (cca. 2 Gray) adagban adják.

CERN - 2009. aug. 20.


35

A röntgenterápia problémája Photons

Protons

Röntgennyaláb Photons

Protons

Dózisszint

Az ép sejteket is roncsolja Nem szelektív

Target

CERN - 2009. aug. 20.


36

A röntgenterápia problémája

Megoldás: • Sok keresztezett nyaláb • Intensity Modulation Radiation Therapy (IMRT) 9 különböző fotonnyaláb

Az egészséges szövetbe vitt dózis limitál!

Főleg a közeli szervek veszélyben (OAR: Organs At Risk) CERN - 2009. aug. 20.


37

Intenzitás--modulált sugárterápia (IMRT) Intenzitás 3-fields IMRT

Prescription Dose OR PTV

Többrétegű kollimátor, amely mozog besugárzás alatt

• Konkáv dózistérfogat is elérhető •Időigényes (bizonyos esetekben használják) CERN - 2009. aug. 20.


38

Prosztatarák kezelése: szimuláció

Sokszeletes kollimátor

Prosztatarák kezelésének előkészítése szimulációval CERN - 2009. aug. 20.


39

Konformális dóziseloszlás IMRTIMRT-vel

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

CERN - 2009. aug. 20.


40

Tomoterápia

• A tumort forgó gyorsítóból, mozgatott beteggel, spirálisan sugározzák be. • Az intenzitást többrétegű kollimátorral szabályozzák • CTCT-képalkotás az apparátusban CERN - 2009. aug. 20.


41

Lineáris gyorsító + röntgenröntgen-CT

CERN - 2009. aug. 20.


42

A “gamma“gamma-kés” l l l l

Lars Leksell (idegsebész) és Borje Larsson (fizikus) javasolta 19671967-ben (Karolinska Institutet, Stockholm) Bizonyos agytumorok, érsebészeti esetek, agyelváltozások kezelésére Kis térfogatú szövődmények (pl. agyban) egy menetben történő kezelése (“stereo(“stereo-tactic radioradio-surgery”) Ma már több, mint 30000 betegre évente

201 db 60Co sugárforrás

CERN - 2009. aug. 20.


43

A “kiber“kiber-kés”

l

Könnyű 6 MVMV-os röntgen röntgen--linac robotkarra szerelve

l

Kezelés alatti átvilágítással ellenőrzik a sérülés helyét és a kezelés folyamatát

l

Több részletben végezhető

l

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

CERN - 2009. aug. 20.


44

Cyberknife: lineáris gyorsító robotkaron

Pontos célzás Sokmezős besugárzás

CERN - 2009. aug. 20.


45

Intra Operative Radiation Therapy (IORT)

Elektronbesugárzás operáció alatt

Elektronenergia: 3 – 9 MeV Dózisterhelés: 6 – 30 Gy/min Besugárzási idő (21 Gy): 0.7 – 3.5 min

CERN - 2009. aug. 20.


46

Csinálhatjuk jobban? 2 X ray beams

9 X ray beams (IMRT)

A részecskefizíkus kérdése: Van-e jobb módszer a beteg szövet besugárzására és az egészséges kímélésére? Válasz : Igen, a töltött hadronnyaláb! CERN - 2009. aug. 20.


47

Vissza a fizikához... Fizikai alapkutatás: részecskék azonosítása

Leadott energia: Bragg-csúcs L3 at LEP

Orvosi alkalmazás rákkezelés hadronokkal CERN - 2009. aug. 20.


48

A hadronterápia alapelve

27 cm

Protonok 200 MeV 1 nA Szénionok 4800 MeV 0.1 nA l l l l

Tumor target

Hadronnyaláb anyagban lassul

Bragg-csúcs: maximális energiavesztés tumorban BraggJobb igazítás a tumor alakjához → ép szövet kímélése Töltött hadronok jól terelhetők Nehéz ionok biológiai hatása nagyobb Találós kérdés: miért éppen proton és szénion? CERN - 2009. aug. 20.


49

Röntgen-- és hadronnyaláb Röntgen Röntgen

CERN - 2009. aug. 20.

Proton vagy szénion


50

Dóziseloszlás: aktív söpörtetés Longitudinális sík

Transverzális sík

patient

fast

slow

nyaláb horizontal scanning

vertical scanning

beam tumour volume

energy variation

Új technika, jórászt a GSIGSIben és PSIPSI-ben fejlesztve CERN - 2009. aug. 20.


51

Protonterápiás állvány

CERN - 2009. aug. 20.


52

Potenciális betegek száma 10 millió lakosra Study by AIRO, 2003 Italian Association for Oncological Radiotharapy

10 M lakosra Röntgenterápia:: 20 Röntgenterápia 20''000 beteg/év Protonterápia: Röntgenkezeltek 12 12% %-a = 2400 beteg/év Szénion--kezelés radioSzénion radio-rezisztens tumorra: Röntgenkezeltek 3%-a = 600 beteg/év TOTÁL cca. 3000 beteg/év 50 M lakosra Protonterápia: 44-5 centrum Szénion--terápia: 1 centrum Szénion CERN - 2009. aug. 20.


53

The Loma Linda University Medical Center (USA)

• Az első kórházi protonprotonterápiás centrum, 1993 1993-ban épült • napi ~ ~160 160 kezelés • ~1000 beteg/év

CERN - 2009. aug. 20.


54

Japán: 4 proton proton-- és 2 szénionszénion-terápiás centrum WAKASA BAY PROJECT by Wakasa-Bay Energy Research Center Fukui (2002) protons (≤ ≤ 200 MeV) synchrotron (Hitachi) 1 h beam + 1 v beam + 1 gantry

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 proton

29 m linac

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

SHIZUOKA FACILITY

50 szénionos beteg CERN - 2009. aug. 20.

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


2000 szénionos beteg

55

PROSCAN (PSI) OPTIS

ACCEL SC ciklotron

Kisérlet

2. állvány

1. állvány

• SC 250 MeV proton proton--ciklotron • Új protonos állvány CERN - 2009. aug. 20.


56

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

CERN - 2009. aug. 20.

PETalkalmazások on-beam onHorváth Dezső: Orvosi

57

PET onon-beam

Szimuláció

A beteggel közölt ”valódi” dózis méráése Mérés CERN - 2009. aug. 20.


58

Kompakt szupravezető szinkrotron terve

l

9.5 T SC mágnes → ~50 ~50 cm átmérőn 250 MeV MeV--es protonok

l

Innovatív terítési technika: kétszeres szórás könnyű és nehéz folyadékokban

l

Célja: egy állvány - egy szoba

l

Bonyolult, de skálaváltozáshoz vezet

l

MIT és Still River dolgozik rajta

CERN - 2009. aug. 20.


59

Hadronterápia gyors neutronokkal Berkeley, 1938

l

Neutron semleges → nincs BraggBragg-csúcs

l

MeV--es neutronok ciklotronnal (p + Be reaction) MeV

l

MeV--es neutronokkal magreakció → nagy helyi sugárterhelés MeV

l

Radio--rezisztens tumourokra (nyálmirigy, nyelv, agy) Radio

l

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

CERN - 2009. aug. 20.


60

Boron Neutron Capture Therapy (BNCT) l

G.L. Locher javaslata, 1936 (4 évvel a neutron felfedezése után!)

l

Olyan magot vinni a ráksejtbe, amely neutronbefogásra nehéz fragmentumokra hasad és így sok lokális energiát szabadít fel.

l

10B

izotóp a legjobb:

– Van bőven (természetes B 20 20% %-a) – Fragmentumai gyorsan

lefékeződnek (egy sejten belül) – Jól ismert a kémiája

Nehézség: Nehéz elérni szelektív lokalizációt a tumorban! CERN - 2009. aug. 20.


61

Konklúzió

l

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

l

Betegségek vizsgálata, dianosztikája és gyógyítása.

l

A megfelelő fejlesztéshez fizikusnak és orvosnak együtt kell dolgoznia.

l

A hadronterápia nagyon gyorsan fejlődik: – Protonterápia népszerű és sokan csinálják – Szénion-terápia: több helyen elkezdték vagy tervezik

l

A részecskefizika nemcsak szép, hasznos is.

CERN - 2009. aug. 20.


62

A részecskefizika orvosi alkalmazásai

Recommend Documents