A részecskefizika orvosi alkalmazásai

A részecskefizika orvosi alkalmazásai Horváth Dezső RMKI és ATOMKI

Forrás: Saverio Braccini CERN-előadásai j Tibor,, Kásler Miklós: Fodor János,, Major

K Korszerű ű sugárterápia: á á i teleterápia l á i MOTESZ Magazin, 2007/2

Vázlat

• Történeti bevezető • Gyorsítós diagnosztika • Hagyományos gy y sugárterápia g p • Hadron-terápia • Jövőkép

CERN - 2008. aug. 21.

Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások

2

A kezdet • 1895 novembere: Röntgensugárzás

Wilhelm Conrad Röntgen

• 1895 decembere: az első átvilágítás

CERN - 2008. aug. 21.


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 - 2008. aug. 21.

1898 Rádi 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 g kezelésére Franciaországban (“Curiethérapie (“ Curiethérapie”) ”) CERN - 2008. aug. 21.


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 - 2008. aug. 21.


6

1930:: a ciklotron létrehozása 1930

Felgyorsított atommag spirális pályája

Ernest Lawrence (1901 – 1958) Modern ciklotron Másolat látható a CERN Microcosm kiállításán CERN - 2008. aug. 21.


7

A LawrenceLawrence-fívérek z

John Lawrence, Ernest fívére, orvos volt

z

Mindketten Berkeleyben dolgoztak

z

Mesterséges izotóp első alkalmazása orvosi diagnosztikában

z

A nukleáris kl á i medicina di i kkezdete d t

Az interdiszciplináris kö környezet t segíti íti az innovációt! CERN - 2008. aug. 21.


8

A neutron felfedezése 1932

James Chadwick (1891 – 1974 1974))

Neutronokkal ma

Ernest Rutherford tanítványa CERN - 2008. aug. 21.

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


9

A lassú neutronok hatása

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

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

CERN - 2008. aug. 21.


10

A szinkrotron 1944

függőleges mágneses tér

a fázisstabilitás elve

Körpályán gyorsított részecskék

1 GeV GeV--es elektronelektron-szinkrotron Frascati - INFN - 1959

Vekszler és McMillan 1959 - Berkeley CERN - 2008. aug. 21.


11

Rádiofrekvenciás linac protonok és ionok gyorsítására Lineáris gyorsító (linac)

λ= 1.5 m 200 MHz

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

CERN - 2008. aug. 21.


L. L Alvarez 1946 – Driftcsöves linac 12

A lineáris elektronelektron-gyorsító Sigurd Varian

William W. Hansen

Russell Varian

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

CERN - 2008. aug. 21.

~1m 1947 első elektronelektron-linac 45M 4.5 MeV V and d 3 GH GHz Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások

13

Kétüreges klisztron: mikrohullám erősítése

Elektronnyaláb sebességét gyenge mikrohullám modulálja → változó elektronsűrűség rezonátorban → intenzív mikrohullám CERN - 2008. aug. 21.


14

CERN: linac linac--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 - 2008. aug. 21.


15

A világ működő gyorsítói GYORSÍTÓTÍPUS

HASZNÁLATBAN ((*)) ~120 120

Nagyenergiás (E >1GeV) Szinkrotronsugárzó

>100

Rádioizotópok dioizotópok p készítése orvosi célra

~200

Sugárterápiás gyorsító

> 7500 9000

Kutatógyorsítók gy 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 - 2008. aug. 21.


16

Részecskedetektorok

z

A részecskefizikusok é k fi ik k ""szeme""

z

IImpresszív í fejlődés f jlődé az utóbbi tóbbi néhány éhá é évtizedben ti db – Geiger -Müller számláló → ATLAS és CMS !

z

Létfontosságú sok orvosi alkalmazásban

CERN - 2008. aug. 21.


17

Példa: sokszálas proporcionális számláló.

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

• Elkészült 1968 1968--ban,, elindította a tisztán elektronikus részecskeészlelést • A biológiai kutatások alkalmazzák; nemsokára helyettesítheti a rádiobiológiát • A megnövekedett adatrögzítési sebesség gyorsabb képalkotást jelen.

CERN - 2008. aug. 21.


18

Orvosdiagnosztikai alkalmazások

CERN - 2008. aug. 21.


19

A diagnosztika lényeges! Computer Tomography (CT)

• A elektronsűrűség mérése Ágyék CERN - 2008. aug. 21.

• Morfológiai M f ló i i (alaktan) ( l kt ) információ i f á ió Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások

20

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

1954: Felix Bloch lett a CERN első l ő fői főigazgatójal tój l CERN - 2008. aug. 21.


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 - 2008. aug. 21.


22

Az MRIMRI-szkenner

CERN - 2008. aug. 21.


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 99 mTc

felfedezése E. McMillanMcMillan-nal

CERN - 2008. aug. 21.


24

SPECT scanner A nukleáris orvosi vizsgálatok g 85% 85 %-a a reaktorok lassú neutronjaival j előállított technéciumot használja

• A ttechnéciumot h é i t tartalmazó molekulák sűrűségének mérése • Morfológia és/vagy metabolizmus

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

CERN - 2008. aug. 21.


Forgó fej detectorokkal

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 180 180-fokban szórt fotonokkal • Információ: metabolizmus Gamma -detectorok (Pl. BGO kristalyok)

PET tomograph PET image age

CERN - 2008. aug. 21.


Ciklotron CT PET CT-PET

26

Hogyan működik? z

H218O vizet bombázunk protonnal

z

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

Glucose

18F

keltésére

FDG

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

CERN - 2008. aug. 21.


27

Metabolizmus--mérés PETMetabolizmus PET-tel

z

A kokainfüggő agya passzívabb

CERN - 2008. aug. 21.


28

Új diagnosztika: CT/PET morfológia

metabolizmus

David Townsend CERN: 1970 1970--78 és Ronald R ld Nutt N tt (CTS – CTI)

CERN - 2008. aug. 21.


29

Alkalmazás sugárzásos rákkezelésben

CERN - 2008. aug. 21.


30

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

Magok bevitel előtt

70...150 mag bevitele

CERN - 2008. aug. 21.


31

Radioaktívitás a rák kezelésében célzott él tt radioradio di -immunoterápia i t á i α részecskék BismuthBismuth-213213-ból

leukémiára

β részecskék Yttrium Yttrium--90 90--ből glioblastomára (agytumor--fajta) (agytumor teleterápia gamma Cobalt Cobalt--6060-ból

mély tumorra

Cobalt--60 Cobalt (1 MeVMeV-es gamma) atomreaktorban lassú neutronokkal ne tronokkal CERN - 2008. aug. 21.

Cobalt source Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások 2000

32

Teleterápia röntgensugárral e- + target → X

Elektron-linac 3 GHz GH target

6-20 MeV [1000 x Röntgen]

• Elektron Elektron--linac kelt gamma -sugárzást • 20'000 páciens/év/10 millió lakos CERN - 2008. aug. 21.


33

Elektron--linac orvosi célra Elektron

CERN - 2008. aug. 21.


34

Computerized Treatment Planning System (TPS) • CT szken alapján: • tervezik besugárzandó térfogatot • megválasztják a sugárzási teret • kiszámítják kis ámítják a target és az egészséges szövet dózisát • A számolt dózist 30 30-40 (cca. 2 Grays) G ) adagban adják.

CERN - 2008. aug. 21.


35

A röntgenterápia problémája Photons

Protons

Röntgennyaláb g y Photons

Protons

Dózisszint

Az ép sejteket is roncsolja Nem szelektív

Target

CERN - 2008. aug. 21.


36

A röntgenterápia problémája

Megoldás: • Sok S kk keresztezett t tt nyaláb láb • Intensity Modulation Radiation Therapy (IMRT) 9 különböző fotonnyaláb

Az egészséges szövetbe vitt dózis limitál!

Főleg a közeli szervek veszélyben (OAR: Organs At Risk) CERN - 2008. aug. 21.


37

Intenzitás--modulált sugárterápia (IMRT) Intenzitás 3-fields IMRT Prescription Dose OR PTV

Többrétegű kollimátor, amely mozog besugárzás alatt

• Konkáv dózistérfogat is elérhető •Időigényes Idői é (bizonyos (bi esetekben t kb használják) h álják) CERN - 2008. aug. 21.


38

Prosztatarák kezelése: szimuláció

Sokszeletes kollimátor

Prosztatarák kezelésének előkészítése szimulációval CERN - 2008. aug. 21.


39

Konformális dóziseloszlás IMRTIMRT-vel

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

CERN - 2008. aug. 21.


40

Tomoterápia

• A tumort forgó gyorsítóból, mozgatott beteggel, spirálisan sugározzák be. • Az intenzitást többrétegű kollimátorral szabályozzák • CT CT--képalkotás az apparátusban CERN - 2008. aug. 21.


41

Lineáris gyorsító + röntgenröntgen-CT

CERN - 2008. aug. 21.


42

A “gamma“gamma-kés” z z z z

Lars Leksell (idegsebész) és Borje Larsson (fizikus) javasolta 1967 1967--ben (Karolinska Institutet, Stockholm) Bizonyos agytumorok, érsebészeti esetek, agyelváltozások kezelésére Kis térfogatú szövődmények (pl. agyban) egy menetben tö té ő kezelése történő k lé (“ (“stereo (“stereot -tactic t ti radioradio di -surgery”) ”) Ma már több, mint 30000 betegre évente

201 db 60Co sugárforrás CERN - 2008. aug. 21.


43

A “kiber “kiber--kés” z

Könnyű 6 MV MV--os röntgenröntgen-linac robotkarra b tk szerelve l

z

Kezelés alatti átvilágítással ellenőrzik a sérülés helyét és a kezelés folyamatát

z

Több részletben végezhető

z

Kis térfogatú tumorok kezelésére ( Agy, fejfej-nyak, tüdő hátgerinc, tüdő, hát i lágyék, lá ék ágyék) á ék)

CERN - 2008. aug. 21.


44

Cyberknife: lineáris gyorsító robotkaron

Pontos célzás Sokmezős k besugárzás

CERN - 2008. aug. 21.


45

Intra Operative Radiation Therapy ((IORT))

Elektronbesugárzás operáció alatt

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

CERN - 2008. aug. 21.


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 - 2008. aug. 21.


47

Vissza a fizikához... Fizikai alapkutatás: részecskék azonosítása

L d tt energia: Leadott i Bragg-csúcs B ú L3 att LEP

Orvosi alkalmazás rákkezelés hadronokkal CERN - 2008. aug. 21.


48

A hadronterápia alapelve

27 cm

Protonok 200 MeV 1 nA Szénionok 4800 MeV 0.1 nA

Tumor target

Hadronnyaláb anyagban y g lassul

Bragg-csúcs: maximális energiavesztés tumorban Braggz Jobb igazítás a tumor alakjához → ép szövet kímélése z Töltött hadronok jól terelhetők z Nehéz ionok biológiai hatása nagyobb z

Találós kérdés: miért éppen proton és szénion? CERN - 2008. aug. 21.


49

Röntgen-- és hadronnyaláb Röntgen Röntgen

CERN - 2008. aug. 21.

Proton vagy szénion


50

Dóziseloszlás: aktív söpörtetés Longitudinális sík

Transverzális sík

patient

fast

slow

nyaláb

horizontal scanning

vertical scanning

beam tumour volume

energy variation i ti

Új technika, jórászt a GSIGSIben és PSIPSI-ben fejlesztve CERN - 2008. aug. 21.


51

Protonterápiás állvány

CERN - 2008. aug. 21.


52

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

10 M lakosra Röntgenterápia: Röntgenterápia g p : 20' 20'000 beteg/év g 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 - 2008. aug. 21.


53

Hadronterápia: jelen és jövő z

Proton--terápia “nagyon megy” Proton

(PTCOG, www.ptcog.com)

– Kísérleti Kí é l ti kö központok: t k O Orsay, PSI, PSI INFNINFN-Catania, C t i … – Kórházi központok: 3 USÁUSÁ-ban, 4 Japánban és sok épül (USA, Japán,

Németország, Kína, Korea, Olaszország, …) – Piacon megvehető “kulcsrakész” központok (ár: 5050-60 M Euro)

z

Szénion--terápia Szénion – 2 kórházi központ Japánban – Kísérleti központ GSIGSI-ben – 2 kórházi központ épül Németországban és Olaszországban – 2 jóváhagyott terv (Franciaország és Ausztria) – Europai hálózat: ENLIGHT

CERN - 2008. aug. 21.


54

The Loma Linda University Medical Center (USA)

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

CERN - 2008. aug. 21.


55

Japán: 4 protonproton- 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 SU U C 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 g + 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 - 2008. aug. 21.

Shizuoka (2002) Proton synchrotron 2 gantries + 1 h beam Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások

2000 szénionos beteg

56

PROSCAN (PSI) OPTIS

ACCEL SC ciklotron

Kisérlet

2. állvány

1. állvány

• SC 250 MeV proton proton--ciklotron • Új Ú protonos állvány CERN - 2008. aug. 21.


57

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

CERN - 2008. aug. 21.

PET onon-beam


58

PET onon-beam

Szimuláció

A beteggel közölt ”valódi” dózis méráése Mérés CERN - 2008. aug. 21.


59

Kompakt szupravezető szinkrotron terve

z

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

z

Innovatív terítési technika: kétszeres szórás könnyű és nehéz folyadékokban

z

Célja: egy állvány - egy szoba

z

Bonyolult, de skálaváltozáshoz vezet

z

MIT és Still River dolgozik rajta

CERN - 2008. aug. 21.


60

Hadronterápia gyors neutronokkal Berkeley, 1938

z

Neutron semleges → nincs BraggBragg-csúcs

z

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

z

MeV--es neutronokkal magreakció → nagy helyi sugárterhelés MeV

z

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

z

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

CERN - 2008. aug. 21.


61

Boron Neutron Capture Therapy (BNCT) z

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

z

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

z

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 - 2008. aug. 21.


62

Konklúzió

z

A részecskefizika hatékony eszközöket kínál a többi tudománynak, az orvostudománynak t d á k iis.

z

Betegségek vizsgálata, dianosztikája és gyógyítása.

z

A megfelelő fejlesztéshez fizikusnak és orvosnak együtt kell dolgoznia.

z

A hadronterápia nagyon gyorsan fejlődik: – Protonterápia népszerű és sokan csinálják – Szénion-terápia: S é i t á i több helyen h l elkezdték lk dték vagy ttervezik ik

z

A részecskefizika nemcsak szép, hasznos is.

CERN - 2008. aug. 21.


63

A részecskefizika orvosi alkalmazásai

Recommend Documents