Fizika a gyógyítás szolgálatában

Fizika a gyógyítás szolgálatában Dr. Sükösd Csaba BME Nukleáris Technika Tanszék

Források: Horváth Dezsı 2010-es cerni elıadása Saverio Braccini CERN-elıadásai Fodor János, Major Tibor, Kásler Miklós: Korszerő sugárterápia: teleterápia MOTESZ Magazin, 2007/2 Wikipédia CERN 2012. augusztus 17.

HTP2012, CERN

1

Tartalom • Törté rténeti bevezetı bevezet • Gyorsí Gyorsítós diagnosztika • Hagyomá Hagyományos sugá sugárterá rterápia • HadronHadron-terá terápia • Jövık kép

CERN 2012. augusztus 17.

HTP2012, CERN

2

A kezdet • 1895 novembere: Röntgensugárzás

Wilhelm Conrad Röntgen

• 1895 decembere: az elsı átvilágítás


HTP2012, CERN

3

A modern fizika és az orvosi fizika kezdete 1896: Természetes radioaktivitás

Henri Becquerel (1852-1908)

1898: Rádium

Mme. Curie dolgozata 1904-ben: α, β, γ mágneses térben Mintegy száz éve CERN 2012. augusztus 17.

HTP2012, CERN

Maria Skł Skłodowska Curie Pierre Curie (1867 – 1934) 1934) (1859 – 1906) 1906) 4

Elsı alkalmazások a rák kezelésében

Alapelv: A tumor helyi kezelése

1908: az elsı kísérlet bırrák sugárzásos kezelésére Franciaországban (“Curiethérapie”) CERN 2012. augusztus 17.

HTP2012, CERN

5

Hatalmas elırelépés... …a fizikában és • Orvosi diagnosztikában • Sugárzásos rákkezelésben

három alapvetı eszköznek köszönhetıen:

M. S. Livingston és E. Lawrence a 25-inches ciklotronnal

• Részecskegyorsítók • Részecskedetektorok • Számítógépek Fermi Geiger-Müller számlálója Rómában CERN 2012. augusztus 17.

HTP2012, CERN

6

1930: a ciklotron létrehozása Szilárd Leó ötlete (1926) Rolf Wideroe terve (1928) Ernest Lawrence megvalósította (1930) Felgyorsított atommag spirális pályája

Ernest Lawrence (1901 – 1958) Nobel-díj 1939

Modern ciklotron


Másolat látható a CERN Microcosm kiállításán HTP2012, CERN

7

A Lawrence-fivérek

John Lawrence, Ernest fivére, orvos volt Mindketten Berkeleyben dolgoztak Mesterséges izotóp elsı alkalmazása orvosi diagnosztikában A nukleáris medicina kezdete John Lawrence használt Az H. interdiszciplin áris elıször mesterségesen elıkörnyezet seg íti az 32 állított radioaktív P-t a ációt! (1936) leukémiainnov terápiájában


HTP2012, CERN

8

A neutron felfedezése 1932 James Chadwick (1891 – 1974)

Ernest Rutherford tanítványa


Neutronokkal ma - Izotópokat állítanak elı orvosi diagnosztikára és terápiára - Gyógyítanak egyes rákfajtákat HTP2012, CERN

9

A szinkrotron megjelenése függıleges mágneses tér

1944 a fázisstabilitás elve

Körpályán gyorsított részecskék 1 GeV-es elektron-szinkrotron Frascati - INFN - 1959

Veksler és McMillan 1959 - Berkeley CERN 2012. augusztus 17.

HTP2012, CERN

10

Rádiófrekvenciás lineáris gyorsító protonok és ionok gyorsítására Lineáris gyorsító (linac)

λ= 1.5 m 200 MHz

100 MeV-es linac a CERN Mikrokozmoszkiállításán


HTP2012, CERN

L. Alvarez 1946 – Driftcsöves linac Nobel-díj 1968 (nem ezért)

11

A lineáris elektron-gyorsító Sigurd Varian

William W. Hansen

Russell Varian 1939: A klisztron feltalálása

A kórházak hagyományos sugárterápiája ma is elektronlinacot használ CERN 2012. augusztus 17.

~1m

1947 elsı elektron-linac 4.5 MeV and 3 GHz HTP2012, CERN

12

A világ mőködı gyorsítói GYORSÍTÓTÍPUS

HASZNÁLATBAN (*) ~120

Nagyenergiás (E >1GeV) Szinkrotronsugárzó

>100

Radioizotópok készítése orvosi célra

~200

Sugárterápiás gyorsító Kutatógyorsítók orvosi kutatásokra

> 7500 9000 ~1000

Ipari alkalmazású gyorsítók

~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 2012. augusztus 17.

HTP2012, CERN

13

Részecskedetektorok

A részecskefizikusok "szeme„ Létfontosságú sok orvosi alkalmazásban!

10 cm

CMS detektor a CERN-ben ember

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


HTP2012, CERN

14

Példa: sokszálas proporcionális számláló.

Georges Charpak (1924-2010), CERN-i fizikus 1959 óta, Nobel-díj: 1992 • Elkészült 1968-ban

• Elindította a tisztán elektronikus részecske-észlelést • A biológiai kutatások is alkalmazzák • A megnövekedett adatrögzítési sebesség gyorsabb képalkotást (azaz kisebb sugárterhelést) és gyorsabb diagnosztikát jelent. CERN 2012. augusztus 17.

HTP2012, CERN

15

Orvosdiagnosztikai alkalmazások


HTP2012, CERN

16

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

Röntgen-csı

körbe forog

• Az elektronsőrőség mérése

• Morfológiai (alaktan) információ CERN 2012. augusztus 17.

HTP2012, CERN

17

Mágneses atommagrezonancia (NMR) 1938-1945: Felix Bloch és Edward Purcell kidolgozza az NMR-t

(nemcsak protonokkal lehet !) Az atommagok két fontos tulajdonsága: 1 • Perdület (protonokra 2 h ) • Mágneses momentum CERN 2012. augusztus 17.

1954: Felix Bloch lett a CERN elsı fıigazgatója Nobel-díj 1952

HTP2012, CERN

18

Az MRI-szkenner

Például: koponya rétegfelvételek


HTP2012, CERN

19

SPECT = Single Photon Emission Computer Tomography Mőködése: • a testbe gamma-bomló radioaktív izotópot (leggyakrabban 99mTc) visznek be, bizonyos vegyülethez kötve. • ahol a vegyület feldúsul, onnan indulnak ki a gamma-sugarak. • A testbıl kijövı gamma-sugarakkal alkotunk képet • A radioaktív izotópot tartalmazó

molekulák eloszlásának (sőrőségének) mérése • Morfológia és/vagy metabolizmus információ CERN 2012. augusztus 17.

Sztatikus HTP2012, CERN

Dinamikus 20

SPECT scanner A nukleáris orvosi vizsgálatok 85%-a a reaktorok lassú neutronjaival elıállított technéciumot használja Scanner: (felfedezte Emilio A detektorfej forog Segré 1938, Nobel-díj 1959 az antiproton felfedezéséért)

0.14 MeV gammák Ólom kollimátorok a 0.14 MeV-es gammák terelésére CERN 2012. augusztus 17.

HTP2012, CERN

21

Pozitron-Emissziós Tomográfia (PET) • 18F-al jelzett FDG a leggyakoribb

Protonok ~15 MeV, ~50 µA

anyag (felezési idı 110 perc) • A 18F eloszlásának mérése 180fokban kibocsátott fotonokkal • Információ: metabolizmus Gamma -detektorok (Pl. BGO kristályok)

PET-tomográf

Ciklotron

PET-kép


HTP2012, CERN

22

Metabolizmus-mérés PET-tel

A kokainfüggı agya passzívabb


HTP2012, CERN

23

Új diagnosztika: CT/PET morfológia

metabolizmus

David Townsend CERN: 1970-78 és Ronald Nutt (CTS – CTI)

Kombinált CT/PET fejlesztése: 1990-es évektıl kezdve CERN 2012. augusztus 17.

HTP2012, CERN

24

Alkalmazás sugárzásos rákkezelésben (sugárterápia)


HTP2012, CERN

25

Módszerek

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

Brachiterápia (példa): prosztata sugárterápiája radioaktív tőkkel Radioaktív tők bevitel elıtt

70...150 tő bevitele CERN 2012. augusztus 17.

HTP2012, CERN

26

Radioaktivitás a rák kezelésében célzott radio-immunoterápia α részecskék Bizmut-213-ból leukémiára β részecskék Yttrium-90-bıl

glioblastomára (agytumor-fajta)

teleterápia gamma Cobalt-60-ból

mély tumorra

Cobalt-60 (~1 MeV-es gammák) 60Co

elıállítása: atomreaktorban lassú neutronokkal CERN 2012. augusztus 17.

HTP2012, CERN

27

Teleterápia röntgensugárral e- + target → X

Elektron-linac 3 GHz target

6-20 MeV [1000 x Röntgen]

• Elektron-linac kelt röntgen-sugárzást

• 20'000 páciens/év/10 millió lakos CERN 2012. augusztus 17.

HTP2012, CERN

28

Elektron-linac orvosi célra


HTP2012, CERN

29

A röntgenterápia problémája Photons

Protons

Röntgennyaláb

Dózisszint Célterület • Az ép sejteket is roncsolja • Nem szelektív CERN 2012. augusztus 17.

HTP2012, CERN

30

A röntgenterápia problémája

Megoldás: • Sok keresztezett nyaláb • Intensity Modulation Radiation Therapy (IMRT) 9 különbözı fotonnyaláb Az egészséges szövetbe vitt dózis limitál!

Fıleg a közeli szervek veszélyben (OR: Organs at Risk) CERN 2012. augusztus 17.

HTP2012, CERN

31

Intenzitás-modulált sugárterápia (IMRT) 3-fields IMRT

Prescription Dose OR PTV

• Többrétegő kollimátor, amely mozog a besugárzás alatt • Konkáv dózistérfogat is elérhetı • Idıigényes (csak bizonyos esetekben használják) CERN 2012. augusztus 17.

HTP2012, CERN

32

Konformális dóziseloszlás IMRT-vel

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


HTP2012, CERN

33

Lineáris gyorsító + röntgen-CT


HTP2012, CERN

34

A “gamma-kés”

Lars Leksell (idegsebész) és Borje Larsson (fizikus) javasolta 1967-ben (Karolinska Institutet, Stockholm) Bizonyos agytumorok, érsebészeti esetek, agyelváltozások kezelésére Kis térfogatú szövıdmények (pl. agyban) egy menetben történı kezelése (“stereo-tactic radio-surgery”) Ma már több, mint 30000 betegre évente

201 db 60Co sugárforrás CERN 2012. augusztus 17.

HTP2012, CERN

35

A “kiber-kés”

Könnyő 6 MV-os röntgenlinac robotkarra szerelve

Kezelés alatti átvilágítással ellenırzik a sérülés helyét és a kezelés folyamatát

Több részletben végezhetı

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


HTP2012, CERN

36

Cyberknife: lineáris gyorsító robotkaron

Pontos célzás Sokmezıs besugárzás


HTP2012, CERN

37

Intra Operative Radiation Therapy (IORT)

Elektronbesugárzás operáció alatt Elektronenergia: 3 – 9 MeV Dózisterhelés: 6 – 30 Gy/min Besugárzási idı (21 Gy): 0.7 – 3.5 min


HTP2012, CERN

38

Csinálhatjuk még jobban? 2 X ray beams

9 X ray beams (IMRT)

A részecskefizikus kérdése: Van-e jobb módszer a beteg szövet besugárzására és az egészséges kímélésére? Válasz : Igen, a töltött hadronnyaláb! CERN 2012. augusztus 17.

HTP2012, CERN

39

Vissza a fizikához... Fizikai alapkutatás: részecskék azonosítása

Leadott energia: Bragg-csúcs L3 at LEP

Orvosi alkalmazás rákkezelés hadronokkal CERN 2012. augusztus 17.

HTP2012, CERN

40

A hadronterápia alapelve 27 cm

Protonok 200 MeV 1 nA

Tumor target Hadronnyaláb anyagban lassul

Szénionok 4800 MeV 0.1 nA

Bragg-csúcs: maximális energiavesztés tumorban Jobb igazítás a tumor alakjához → ép szövet kímélése Töltött hadronok jól terelhetık Nehéz ionok biológiai hatása nagyobb Találós kérdés: miért éppen proton és szénion?


HTP2012, CERN

41

Röntgen- és hadronnyaláb Röntgen


Proton vagy szénion

HTP2012, CERN

42

Dóziseloszlás: aktív söpörtetés Longitudinális sík

Transzverzális sík

patient

fast

slow

nyaláb

horizontal scanning

vertical scanning

beam tumour volume

energy variation

Új technika, jórészt a GSI-ben és PSI-ben fejlesztve CERN 2012. augusztus 17.

HTP2012, CERN

43

Protonterápiás állvány


HTP2012, CERN

44

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

10 M lakosra Röntgenterápia: 20'000 beteg/év Protonterápia: Röntgenkezeltek 12%-a = 2400 beteg/év Szénion-kezelés radio-rezisztens tumorra: Röntgenkezeltek 3%-a = 600 beteg/év TOTÁL cca. 3000 beteg/év 50 M lakosra Protonterápia: 4-5 centrum Szénion-terápia: 1 centrum CERN 2012. augusztus 17.

HTP2012, CERN

45

The Loma Linda University Medical Center (USA) • Az elsı kórházi protonterápiás centrum, 1993ban épült • napi ~160 kezelés • ~1000 beteg/év


HTP2012, CERN

46

Japán: 4 proton- és 2 szénion-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 HIMAC of NIRS (1995) He and C (≤ ≤ 430 MeV/u) 2 synchrotrons 2 h beams + 2 v beams

proton

29 m linac

SHIZUOKA FACILITY

50 szénionos beteg CERN 2012. augusztus 17.

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

HTP2012, CERN

2000 szénionos beteg

47

PROSCAN (PSI) Villingen (Svájc) ACCEL SC ciklotron

OPTIS

Kísérlet

2. állvány

1. állvány

• SC 250 MeV proton-ciklotron • Új protonos állvány CERN 2012. augusztus 17.

HTP2012, CERN

48

Protonterápia Krakkóban (Lengyelország) PROTEUS ciklotron állvány

Készen van 2011. március: Szem-radioterápia protonnyalábbal Közép- Kelet-Európában elsınek Proton energia: 60 MeV


Terv 2014 re: Komplex hadron (proton) terápiás központ felépítése (Eu támogatás) Proton energia: 60-230 MeV

HTP2012, CERN

49

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

PET on-beam CERN 2012. augusztus 17.

HTP2012, CERN

50

PET on-beam

Szimuláció

A beteggel közölt ”valódi” dózis mérése radioaktív 11C ionnyalábbal (PET) CERN 2012. augusztus 17.

Mérés HTP2012, CERN

51

Heidelbergi Ionnyaláb-terápiai Központ Heidelbergi Egyetem kórházában Ünnepélyes megnyitás: 2009 nov. 2

Terv: 1300 páciens / év

Szinkrotron: proton, szén-, hélium- és oxigénion


HTP2012, CERN

52

Hadronterápia gyors neutronokkal Berkeley, 1938

Neutron: semleges → nincs Bragg-csúcs

MeV-es neutronok ciklotronnal (p + Be reaction)

MeV-es neutronokkal magreakció → nagy helyi sugárterhelés

Radio-rezisztens tumorokra (nyálmirigy, nyelv, agy)

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


HTP2012, CERN

53

Boron Neutron Capture Therapy (BNCT)

G.L. Locher javaslata, 1936-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%-a) 10B(n,α)7Li + 2,31 MeV energia Fragmentumai gyorsan lefékezıdnek (egy sejten belül) Jól ismert a bór kémiája

Nehézség: Nehéz elérni szelektív lokalizációt a tumorban! CERN 2012. augusztus 17.

HTP2012, CERN

54

Konklúzió

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 – Szénion-terápia: több helyen elkezdték vagy

tervezik – Neutronterápia, BNCT: kutatási fázisban

A részecskefizika nemcsak szép, hasznos is.


HTP2012, CERN

55

Köszönöm a megtisztelı figyelmet !


HTP2012, CERN

56

Fizika a gyógyítás szolgálatában

Recommend Documents