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
CERN 2012. augusztus 17.
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
CERN 2012. augusztus 17.
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
CERN 2012. augusztus 17.
HTP2012, CERN
8
A neutron felfedezése 1932 James Chadwick (1891 – 1974)
Ernest Rutherford tanítványa
CERN 2012. augusztus 17.
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
CERN 2012. augusztus 17.
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 !
CERN 2012. augusztus 17.
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
CERN 2012. augusztus 17.
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
CERN 2012. augusztus 17.
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
CERN 2012. augusztus 17.
HTP2012, CERN
22
Metabolizmus-mérés PET-tel
A kokainfüggı agya passzívabb
CERN 2012. augusztus 17.
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)
CERN 2012. augusztus 17.
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
CERN 2012. augusztus 17.
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
CERN 2012. augusztus 17.
HTP2012, CERN
33
Lineáris gyorsító + röntgen-CT
CERN 2012. augusztus 17.
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)
CERN 2012. augusztus 17.
HTP2012, CERN
36
Cyberknife: lineáris gyorsító robotkaron
Pontos célzás Sokmezıs besugárzás
CERN 2012. augusztus 17.
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
CERN 2012. augusztus 17.
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?
CERN 2012. augusztus 17.
HTP2012, CERN
41
Röntgen- és hadronnyaláb Röntgen
CERN 2012. augusztus 17.
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
CERN 2012. augusztus 17.
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
CERN 2012. augusztus 17.
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
CERN 2012. augusztus 17.
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
CERN 2012. augusztus 17.
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)]
CERN 2012. augusztus 17.
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.
CERN 2012. augusztus 17.
HTP2012, CERN
55
Köszönöm a megtisztelı figyelmet !
CERN 2012. augusztus 17.
HTP2012, CERN
56