Fizika a gyógyítás szolgálatában

Fizika a gyógyítás 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

Kossuth Klub 2013. augusztus 9.

Fizika a gyógyítás szolgálatában Dr. Sükösd Csaba

1



2

A modern fizika és az orvosi fizika kezdete

A kezdet • 1895 november: Rö Röntgensugá ntgensugárzá rzás

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

Wilhelm Conrad Röntgen

Marie Curie dolgozata 1904-ben:

• 1895 december: az elsı elsı átvilá tvilágítás Mintegy szá száz éve Kossuth Klub 2013. augusztus 9.


3


α, β, γ mágneses térben

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


4

Elsı Elsı alkalmazá alkalmazások a rá rák kezelé kezelésében

Hatalmas elı elırelé relépés... …a fiziká fizikában és • Orvosi diagnosztiká diagnosztikában

Alapelv: A tumor helyi kezelé kezelése

•Sugá Sugárzá rzásos rá rákkezelé kkezelésben

három alapvetı alapvetı eszkö eszköznek köszö szönhetı nhetıen:

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

• Részecskegyorsí szecskegyorsítók 1908: az elsı elsı kísérlet bı bırrá rrák sugá sugárzá rzásos kezelé kezelésére Franciaorszá Franciaországban (“Curiethé Curiethérapie” rapie”) Kossuth Klub 2013. augusztus 9.


5

• Részecskedetektorok • Szá Számítógépek Fermi GeigerGeiger-Müller szá számlá mlálója Rómában Kossuth Klub 2013. augusztus 9.

1930: a ciklotron lé létrehozá trehozása


A LawrenceLawrence-fivérek

Felgyorsí Felgyorsított atommag spirá spirális pá pályá lyája

Ernest Lawrence (1901 – 1958) Modern ciklotron


7

John Lawrence, Ernest fivére, orvos volt Mindketten BerkeleyBerkeleyben dolgoztak Mestersé Mesterséges izotó izotóp elsı elsı alkalmazá alkalmazása orvosi diagnosztiká diagnosztikában A nukleá nukleáris medicina kezdete

John Lawrence haszná ált haszn Az H. interdiszcipliná áris interdiszciplin elı örrnyezet mestersé égesen elı elıszö sz mesterssegí elıkö íti az seg 32 -t a állí llított radioaktí radioakt innová innováívció cióPt! leuké leukémia terá terápiá piájában (1936)

Másolat lá látható tható a CERN Microcosm kiá kiállí llításán Fizika a gyógyítás szolgálatában Dr. Sükösd Csaba

6



8

Rádiofrekvenciá diofrekvenciás line lineáris gyorsí gyorsító protonok és ionok gyorsí gyorsítására

A neutron felfedezé felfedezése 1932 (éppen 80 éve)

Az atomokban elektronok keringenek

Lineá Lineáris gyorsí gyorsító (linac)

James Chadwick az atommag körül,

(1891 – 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 Kossuth Klub 2013. augusztus 9.


9


L. Alvarez 1946 – Driftcsö Driftcsöves linac


10

CERN: linaclinac-ok és erı erıs fó fókuszá kuszálású szinkrotronok

A lineá lineáris elektronelektron-gyorsí gyorsító Sigurd Varian

100 MeVMeV-es linac a CERN MikrokozmoszMikrokozmoszkiá kiállí llításán

Large Hadron Collider

William W. Hansen

8.5 km

(7+7) TeV

Russell Varian 1939: A klisztron feltalá feltalálása

A kó kórhá rházak hagyomá hagyományos sugá sugárterá rterápiá piája ma is elektronelektronlinacot haszná használ Kossuth Klub 2013. augusztus 9.

~1m

A PS 19591959-ben

1947 elsı elsı elektronelektron-linac 4.5 MeV and 3 GHz


11


1952: BNL (USA) “erı erıs fó fókuszá kuszálási” si” módszere a CERN ProtonProtonSzinkrotroná Szinkrotronában (PS)


12

Részecskedetektorok

A vilá világ mő mőködı gyorsí gyorsítói GYORSÍ GYORSÍTÓTÍPUS

HASZNÁ HASZNÁLATBAN (*) ~120

Nagyenergiás (E >1GeV) Szinkrotronsugá Szinkrotronsugárzó rzó Radioizot dioizotó ópok ké készí szítése orvosi cé célra

~200

Sugá Sugárterá rterápiá piás gyorsí gyorsító Kutatógyorsítók orvosi kutatásokra

> 7500 9000 ~1000

Ipari alkalmazású gyorsítók

~1500

Ion implanterek, felületkezelésre szolgálók

>7000

TOTAL

A ré részecskefizikusok "szeme"

Impresszí Impresszív fejlı fejlıdés az utó utóbbi né néhány évtizedben – Geiger -Müller szá számlá mláló → ATLAS és CMS !

Létfontossá tfontosságú sok orvosi alkalmazá alkalmazásban

>100

> 17500

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

• A fele orvosi alkalmazá alkalmazásokat szolgá szolgál Kossuth Klub 2013. augusztus 9.


13



14

Példa: sokszá sokszálas proporcioná proporcionális szá számlá mláló.

Orvosdiagnosztikai alkalmazá alkalmazások

• Elké Elkészü szült 19681968-ban

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

• Elindí lindította a tisztá tisztán elektronikus ré 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. Kossuth Klub 2013. augusztus 9.


15



16

A diagnosztika lé lényeges!

Mágneses atommagrezonancia atommagrezonancia (NMR)

Computer Tomography (CT) 19381938-1945: Felix Bloch és Edward Purcell kidolgozza az NMRNMR-t

Detektor-sor

Röntgen-csı

körbe forog

(nemcsak protonokkal lehet !) Az atommagok ké két fontos tulajdonsá tulajdonsága: 1 • Perdü Perdület (protonokra 2 h ) • Mágneses momentum

• Az elektronső elektronsőrőség mé mérése

• Morfoló Morfológiai (alaktan) informá információ ció Kossuth Klub 2013. augusztus 9.


17


1954: Felix Bloch lett a CERN elsı elsı fıigazgató igazgatója


18

SPECT = Single Photon Emission Computer Tomography

Az MRIMRI-szkenner

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

molekulá molekulák eloszlá eloszlásának (sőrőségének) nek) mérése

Példá ldául: koponya ré rétegfelvé tegfelvételek

• Morfoló Morfológia és/vagy metabolizmus informá információ ció Kossuth Klub 2013. augusztus 9.


19


Sztatikus

Dinamikus


20

PozitronPozitron-Emisszió Emissziós Tomográ Tomográfia (PET)

SPECT

• 18F-al jelzett FDG a leggyakoribb

Protonok ~15 MeV, ~50 µ A

anyag (felezé (felezési idı idı 110 perc) 18F

•A eloszlá eloszlásának mé mérése 180180fokban kibocsá kibocsátott fotonokkal • Informá Információ ció: metabolizmus Gamma -detektorok (Pl. BGO kristá kristályok)

PETPET-tomográ tomográf

Ciklotron

PETPET-kép A gammagamma-sugarakkal való való képalkotá palkotáshoz nincsenek „lencsé lencsék”, ezé ezért speciá speciális kollimá kollimátorokat haszná használnak



21

Hogyan mő mőködik?

H218O

FluoroFluoro-DeoxyDeoxy-D-Glucose (FDG) szinté szintézise

vizet bombá bombázunk protonnal kelté keltésére (p,n) reakció reakció

Glucose



22

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. Kossuth Klub 2013. augusztus 9.


23

A kokainfüggı agya passzívabb



24

Új diagnosztika: diagnosztika: CT/PET morfoló morfológia

metabolizmus

David Townsend CERN: 19701970-78 és

Alkalmazá Alkalmazás sugá sugárzá rzásos rá rákkezelé kkezelésben (sugá (sugárterá rterápia)

Ronald Nutt (CTS – CTI)



25

Módszerek



26

Radioaktivitá Radioaktivitás a rá rák kezelé kezelésében

Brachiterá Brachiterápia: pia: Sugá Sugárforrá rforrás elhelyezé elhelyezése a testben RadioRadio-immunoterá immunoterápia: pia: Az izotó izotópot szelektí szelektív vektor hordozza Teleterá á pia: : Tumor bombá á z á sa kü ü lsı Teleter pia bomb k lsı forrá forrású sugá sugárzá rzással

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)

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 Kossuth Klub 2013. augusztus 9.


27



28

ElektronElektron-linac orvosi cé célra

Teleterá Teleterápia rö röntgensugá ntgensugárral 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 Kossuth Klub 2013. augusztus 9.


29


A röntgenterá ntgenterápia problé problémája Photons


30

A rö röntgenterá ntgenterápia problé problémája

Protons

Megoldá Megoldás:

Röntgennyaláb

• Sok keresztezett nyalá nyaláb • Intensity Modulation Radiation Therapy (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 Kossuth Klub 2013. augusztus 9.


Fıleg a kö közeli szervek veszé veszélyben (OAR: Organs At Risk) 31



32

Lineá Lineáris gyorsí gyorsító + rö röntgenntgen-CT

Intenzitá Intenzitás-modulá modulált sugá sugárterá rterápia (IMRT) 3-fields IMRT

Prescription Dose OR PTV

• Többré bbrétegő tegő kollimá kollimátor, amely mozog besugá besugárzá rzás alatt • Konká Konkáv dó dózisté zistérfogat is elé elérhetı rhetı • Idı Idıigé igényes (bizonyos esetekben haszná használjá lják) Kossuth Klub 2013. augusztus 9.


33

Könnyő nnyő 6 MVMV-os rö röntgenntgenlinac robotkarra szerelve

Kezelé Kezelés alatti átvilá tvilágítással ellenı ellenırzik a sé sérülés helyé helyét és a kezelé kezelés folyamatá folyamatát

Több ré részletben vé végezhetı gezhetı

Kis té térfogatú rfogatú tumorok kezelé kezelésére ( Agy, fejfej-nyak, tüdı, há hátgerinc, lá lágyé gyék, ágyé gyék)


34

Cyberknife: lineá lineáris gyorsí gyorsító robotkaron

A “kiberkiber-kés”


Pontos cé célzá lzás



Sokmezı Sokmezıs besugá besugárzá rzás

35



36

Intra Operative Radiation Therapy (IORT)

Csiná Csinálhatjuk még jobban? 2 X ray beams

9 X ray beams (IMRT)

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

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



37



38

A hadronterá hadronterápia alapelve

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

27 cm

Protonok 200 MeV 1 nA

Leadott energia: BraggBragg-csú csúcs

Tumor target

L3 at LEP

Szé Szénionok 4800 MeV 0.1 nA

Hadronnyaláb anyagban lassul

BraggBragg-csú csúcs: maximá maximális energiaveszté energiavesztés tumorban Jobb igazí igazítás a tumor alakjá alakjához → ép szö szövet kí kímélése Töltö ltött hadronok jó jól terelhetı terelhetık Nehé Nehéz ionok bioló biológiai hatá hatása nagyobb

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

Orvosi alkalmazá alkalmazás rákkezelé kkezelés hadronokkal Kossuth Klub 2013. augusztus 9.


39



40

Dóziseloszlá ziseloszlás: aktí aktív sö söpörteté rtetés

Röntgenntgen- és hadronnyalá hadronnyaláb

Longitudiná Longitudinális sí sík Röntgen

Proton vagy szé szénion

Transz Transzverzá verzális sí sík

patient

fast

slow

nyaláb

horizontal scanning

vertical scanning

beam tumour volume

energy variation

Új technika, jó jórészt a GSIGSI-ben és PSIPSI-ben fejlesztve Kossuth Klub 2013. augusztus 9.


41

Protonterá Protonterápiá piás állvá llvány



42

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

10 M lakosra Röntgenterá ntgenterápia: pia: 20' 20'000 beteg/é beteg/év Protonterá Protonterápia: Röntgenkezeltek 12%12%-a = 2400 beteg/é beteg/év Szé Szénionnion-kezelé kezelés radioradio-rezisztens tumorra: Röntgenkezeltek 3%3%-a = 600 beteg/é beteg/év TOTÁ TOTÁL cca. 3000 beteg/é beteg/év 50 M lakosra Protonterá Protonterápia: 44-5 centrum Szé Szénionnion-terá terápia: 1 centrum Kossuth Klub 2013. augusztus 9.


43



44

The Loma Linda University Medical Center (USA)

Japá Japán: 4 protonproton- és 2 szé szénionnion-terá terápiá piás centrum

• Az elsı elsı kórhá rházi protonprotonterá terápiá piás 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



45

SHIZUOKA FACILITY

50 szénionos beteg Kossuth Klub 2013. augusztus 9.

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

2000 szénionos beteg


46

Protonterá rotonterápia Krakkó Krakkóban (Lengyelorszá (Lengyelország) PROTEUS

PROSCAN (PSI) Villingen (Svá (Svájc)

ciklotron OPTIS

ACCEL SC ciklotron

Kisérlet

állvány

2. állvány

1. állvány

Készen van 2011. má március: SzemSzem-radioterá radioterápia protonnyalá protonnyalábbal Közép- KeletKelet-Euró Európában elsı elsınek Proton energia: 60 MeV

• SC 250 MeV protonproton-ciklotron • Új protonos állvá llvány Kossuth Klub 2013. augusztus 9.


47


Terv 2014 re: Komplex hadron (proton) terá terápiá piás központ felé felépítése (Eu tá támogatá mogatás) Proton energia: 6060-230 MeV


48

Szé Szénionnion-terá terápia Euró Európában

Heidelbergi Ionnyalá Ionnyaláb-terá terápiai Kö Központ Heidelbergi Egyetem kó kórhá rházában Ünnepé nnepélyes megnyitá megnyitás: 2009 nov. 2

1998: kí kísérleti projekt (GSI, G. Kraft) 200 beteg kezelé kezelése szé szénionnal

Terv: 1300 pá páciens / év

Szinkrotron: proton, szé szén-, hé héliumlium- és oxigé oxigénion PET onon-beam Kossuth Klub 2013. augusztus 9.


49

Hadronterá Hadronterápia gyors neutronokkal



Boron Neutron Capture Therapy (BNCT)

Berkeley, 1938

Neutron: Neutron: semleges → nincs BraggBragg-csú csúcs

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

MeVMeV-es neutronokkal magreakció magreakció → nagy helyi sugá sugárterhelé rterhelés

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

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



50

51

G.L. Locher javaslata, 19361936-ban (4 évvel a n felfedezé felfedezése utá után !) !) Olyan atommagot vinni a rá ráksejtbe, amely neutronbefogá neutronbefogásra tö töltö ltött fragmentumokra hasad és így sok loká lokális energiá energiát szabadí szabadít fel. 10B izotó izotóp a legjobb: Van bı bıven (termé (természetes B 20%20%-a) 10B(n,α B(n,α)7Li + 2,31 MeV energia Fragmentumai gyorsan lefé lefékezı kezıdnek (egy sejten belü belül) Jól ismert a bó bór ké kémiá miája

Nehé Nehézsé zség: Nehé Nehéz elé elérni szelektí szelektív lokalizá lokalizáció ciót a tumorban! Kossuth Klub 2013. augusztus 9.


52

Konklú Konklúzió zió

A ré részecskefizika haté hatékony eszkö eszközöket kí kínál a tö többi tudomá tudománynak, az orvostudomá orvostudománynak is.

Betegsé Betegségek vizsgá vizsgálata, diagnosztiká diagnosztikája és gyó gyógyí gyítása.

A megfelelı megfelelı fejleszté fejlesztéshez fizikusnak és orvosnak együ együtt kell dolgoznia.

A hadronterá hadronterápia nagyon gyorsan fejlı fejlıdik:

Köszönöm a megtisztelı figyelmet !

– Protonterá Protonterápia né népszerő pszerő és sokan csiná csináljá lják – Szé Szénionnion-terá terápia: tö több helyen elkezdté elkezdték vagy

tervezik – Neutronterá Neutronterápia, BNCT: kutatá kutatási fá fázisban

A ré részecskefizika nemcsak szé szép, hasznos is.



53



54

Fizika a gyógyítás szolgálatában

Recommend Documents