Wilhelm Konrad Röntgen (1845-1923) X-sugárzás1895.
A sugárterápia alapjai Dr. Urbancsek Hilda Onkológia Intézet Sugárterápia Nem Önálló Tanszék
Sugárterápia (RaTh): • Sugárfizika (fizika, technika, mechanika, informatika) • Sugárbiológia (sugárérzékenyítők, biológiai válaszmódosítók, hipertermia) • IGRT (Image Guided- képalkotók vezérelt RaTh: UH,CT,MR,PET,PET/CT, SPEC, ANY) • BART (Biológiailag adaptált – biokémia, pathológia, genomika) • Célzott RaTh: Izotópot szállító antitestek • Individualizált (immunológia, pszichoonkológia)
Sugárkezelés • Az ionizáló sugárzás nagyobb károsodást hoz létre a malignus sejtekben, mint a normál sejtekben • A normál sejtek regenerálódása jobb, mint a malignus sejteké
A sugárterápia alapjai Technikai lehetőségek: sugárforrások, mint a sugárterápia eszközei, sugárfizikai feltételek, berendezések, komputerek
Ismeretek: indikációk, a választás feltételei, a sugárterápia onkológiai alkalmazása, átlagdózis és dózis eloszlás, valamint a sugárkezelés qualitása
A sugárterápia szerepe - pre op.: a tumor nagyság redukálása (down staging) - post op.: a recidív tumorok prevenciója (metasztázisok?)
A sugárkezelés szerepe az onkológiai ellátásban - Definitív kezelés – ahol a sugárkezelés kuratív lokális modalitás - Szerv megőrzés szerv kimérő sebészeti resectiot követően - A loco regionális kontrol valószínűségének növelése a radikális műtéti exstirpációt követően - A tünetek palliálása primer vagy metasztatikus tumor növekedés esetén
Sugárforrás helyzete • Teleterápia: távol besugárzás sugárforrás: testen kívül
• Brachyterápia: közel besugárzás sugárforrás: test szövetek között, test üregekben, test felszínén
A sugárkezelés helye az onkoterápiás tervben • A/ Egyedüli : adjuvans, curratív ,palliatív Palliáció (tünetek pl. fájdalom, vérzés csökkentése)
B/ Kombinációban Műtéttel: Preoperativ Postoperativ Intraoperativ
Kemoterápiával: Sequentialis Szinkron Alteralo Concurrent
SUGÁRTERÁPIA HATÁSA Eredmények: 1. LTC : CR NC
PR PD
2. Túlélés : teljes, tumormentes, TTP, TWIST Mellékhatások: korai
késői
helyi: inflammatio
fibrózis
általános
functio laesea
Sugárzás - anyag kölcsönhatása • Elektromágneses • Korpuszkuláris
Sugárzások osztályozása sugárzások • • • •
nem ionizáló - rádióhullámok - mikrohullámok - fény
•
Ionizáló
• • • •
közvetetten (semleges részecskék) - fotonok (rtg., gamma) - neutronok
• • • • • •
közvetlenül (töltött részecskék) - elektronok - protonok - a-részecskék - nehézionok
Sugárzások osztályozása sugárzások • részecske • • • • •
- elektronok - protonok - neutronok - a-részecskék - nehézionok
• elektromágneses* • • • • • • • • • • •
(fotonsugárzás) röntgensugárzás (atommagon kívül keletkezik) rtg. készülékek, CT lineáris gyorsítók (fékezési) gammasugárzás (magsugárzás) radioaktív izotópok (Ra-226, Co-60, Ir-192) . *Csak megfelelő nagyságú energia esetén hoznak létre ionizációt
I. Elektromágneses sugárzás •
Nagyenergiájú röntgen sugárzás terápiás rtg cső gyorsító
Radioaktív izotópok γ– sugárzása 226Ra, 137Cs, 60Co, 192Ir…
Radioaktív izotópok • • • •
226Ra
T1/2 = 1620 év 137Cs T 1/2 = 30 év 60Co T 1/2 = 5.27 év 192Ir T1/2 = 74.3 nap
E = 1.4 MeV E = 0.66 MeV E = 1.25 MeV E = 0.32 MeV
II. Korpuszkuláris sugárzás • • • • •
Hélium atommag (++He) elektron (e-) proton neutron mezonok, ...
α β p n
Sugárzás - anyag kölcsönhatása • Fotoeffektus (külső héj) diagnosztikus tartomány • Compton-szórás terápiás tartomány • Párképződés (elektron pozitron) min. 2*511 keV
Arthur H. Compton 1892-1962.
Fotoeffektus
Compton-effektus
Párkeltés
A sugárzás hatása az anyagra Sugárfizika: -párképződés
A kölcsönhatások valószínőségének függése az elnyelő közeg rendszámától: - Fotoeffektus: a rendszám harmadik hatványával arányos -Compton- effektus: nem függ a rendszámtól -Párkeltés: a rendszám négyzetével arányos
Dozimetriai alapfogalmak •
• •
bármilyen anyag besugárzásakor a sugárzásnak csak egy része lép kölcsönhatásba az anyaggal, a másik része kölcsönhatás nélkül továbbhalad (kölcsönhatáson a sugárzás energiájának az elnyelıdését értjük) csak a szervezet által elnyelt energia okoz biológiai hatást az elnyelt energia nagyságát az elnyelt dózis fogalmával jellemezzük
• Elnyelt dózis (D): egységnyi tömeg által elnyelt energia, mértékegysége a gray (Gy) • 1 Gy = 1 J/kg 1 Gy = 100 cGy • Dózisteljesítmény: egységnyi idıő alatti elnyelt dózis, mértékegysége: Gy/perc, Gy/s • Egyenértékdózis (H): az elnyelt dózis és sugárzás hatékonyságát kifejező súlytényező (w) szorzata, mértékegysége: Sievert
Foton abszorpciója az anyagban 58 kV
izom
Diagnosztika fotóeffektus
Terápia Compton szórás
1.25 MeV
A sugárzási tér jellemzésére szolgáló mértékegységek • • • • •
mezőméret fókusz-bőr távolság dózisprofil energia százalékos mélydózis
Mélydózisgörbék Co
Dmax = 0,5 cm
Percentage depth dose curves
x6
Dmax = 1,58 cm
x15
Dmax = 2,66 cm
%
e4
R80 = 1,28 cm
e6
R80 = 1,96 cm
e8
R80 = 2,72 cm
e10
R80 = 3,11 cm
e12
R80 = 4,03 cm
e15
R80 = 5,13 cm
e18
R80 = 5,50 cm
120
100
80
60
40
20
0 0
50
100
150
200
250
Build up elektron felépülési egyensúly
300
mm
Aktivitás 1 bomlás / másodperc = 1 Bq
Henri Becquerel 1852 - 1908.
Dózis egységek • Besugárzási dózis (ionizáló képesség) Db = ∆Q/∆m [C/kg] • Abszorbeált dózis (elnyelt energia) Da = ∆E/∆m [J/kg] (Gray, Gy) • Dózis ekvivalens (biológiai hatásosság) De = Da Q N [Sv] Q sugárminőségre jellemző kvalitásfaktor N módosító tényezők
A sugárzás hatását módosító tényezők Fizikai
Kémiai
Biológiai
sugárzás fajtája dózisteljesítmény dózisfrakcionálás hőmérséklet
oxigénhatás víztartalom sugárvédő vegyületek szabad gyökfogók
sejtciklus állapota sejtbiológiai képességek alkalmazkodási válasz életkor nem antioxidáns kapacitás
tiol reaktív vegyületek antioxidánsok
A sugárzás hatása sejtciklusra Sugárbiológia
Sejtszintű következmények Sejtelhalás
Mitózisban interfázisban programozott (apoptózis)
-sejt túlélés vizsgálata in vitro sejttenyészet, ill. -kolónia képzéssel
Túlélő sejtekben
Kromoszóma aberrációk
- karzogramm, SCE - mikronukleusz gyakoriság - FISH - Comet-assay
Mutációk (somatikus és genetikai hatások) rosszindulatú átalakulás
- HPRT-mutáció vizsgálata - Onkogének vizsgálata
„legyengülés”
Biológiai károsodások és következmények Sejtszintű hatások:
Szabályozási zavarok:
-génaktivitás változása
-energiatermelési zavarok
Kimutatási eljárás -génaktiváció, inaktiváció vizsgálat (PCR)
- permeabilitás változás
-flow citometria, sejtELFO
-jelátviteli zavarok
-citokinek, parakrinek és génjeik vizsgálata (PCR)
-- sejtfelület változása
-- sejtek közötti kapcsolat (citokin egyensúly) -- sejtosztódási zavarok
-a jelátvitel biokémiai vizsgálata - hisztológiai vizsgálatok Pl. mikronukleusz gyakoriság
Szöveti, szervi és szervezeti következmények
Szöveti, szervi, szervezeti
- funkciózavar, ill. kiesés (CSV, GI, KIR)
-klinikai, hematológiai kép - on-line esetösszehasonlítás ( komp. adatbázis – Ulm)
Az elnyelt energia és a biológiai hatások közötti eltérésekért felelős főbb tényezők •
Az energia abszorpció és az azt követő elemi történések térbeli inhomogenitása.
•
A sugárzással szemben érzékenyebb biológiai targetek léte és sejten belüli eloszlása
•
A sugárhatást felerősítő szabadgyökös mechanizmusok
Sugárterápiás lehetőségek Kezelések dózisának kiszolgáltatása Összdózis:
Ép szöveti tolerancia - tumoricid összdózis
Frakcionálás Normál frakcionálás: 1,8-2,5 Gy/die, heti 5x Hypofrakcionálás:
3-6 Gy/fr
heti 2-3x
Hyperfractionalas:
napi 2-3x 0,8-1,2 Gy heti 5x
CHART:
6 óránként 0,8-l,5 Gy
( Continuus hyperfractionated accelerated RT ) CHARTWEL (Weekand less)
“ hétfő – péntek
Szervek Nyirokszervek Csontvelő, Gonádok Vékonybél Bőr szaruhártya, lencse GI-szervek: garat, nyelőcső, gyomor, végbél
Sugár-érzékenység
A parenchymális hypoplasia fő mechanizmusa
Nagy
Elsősorban az őssejtek és differenciálódó intermitótikus sejtek pusztulása
Viszonylag nagy
Növekvő porcok Hajszálerek Növekvő csontok
Közepes
Kifejlett porc és csont, tüdő, vese, máj, hasnyálmirigy, mellékvese, agyalapi mirigy
Viszonylag Kicsi
Izmok Agy Gerincvelő
Kicsi
A többrétegű hám osztódó vagy differenciálódó intermitótikus sejtjeinek destrukciója A chondroblasztok pusztulása Endotelsejtek károsodása Kötőszöveti sejt, chondroblaszt és oszteoblaszt pusztulás A hipoplázia a hajszálerek és kötőszöveti elemek sérülésének másodlagos következménye, a parenchyma különböző fokú direkt sérüléseivel A hipoplázia a hajszálerek és kötőszöveti elemek sérülésének másodlagos következménye, a parenchyma kisfokú direkt sérülésével
LET = LINEAR ENERGY TRANSFER Sugárzás 60Co
γ-sugárzás
LET érték 0,2 keV/µ µm
250 kV fékezési rtg
2,0 keV/µ µm
14 MeV neutron
75 keV/µ µm
Nehéz részecske
100-200 keV/µ µm
nagy LET érték nagy biológiai hatás növekvő foton energia csökkenő LET érték Biológiai hatása az ELNYELT dózisnak van!
RBE = Relative Biologic Effectiveness Függ: sugárzás minőségétől frakciónkénti dózistól dózisteljesítménytől oxigén jelenlététől v. hiányától szövet, sejt típusától
OER = Oxygen Enhancement Ratio
Repair A sugárzás hatása függ: Napi dózis Össz. gócdózis Frakciók közti idő Össz. kezelési idő
FRAKCIONÁLÁS REGENERÁLÓDÁS
Penetráció • Foton:
d = 10 cm, fősugár mentén 6 MV 67.5 % 15 MV 76.5 % 25 MV 82.0 % • Elektron: R80 a fősugár mentén 6 MeV 20 mm 10 MeV 33 mm 20 MeV 67 mm
Kilovoltos (röntgenterápiás) készülékek • Közelbesugárzók: • 40 - 60 kV, Szőrı: 0.5 - 1.0 mm Al, Szöveti felezıréteg: 3 10 mm
• Felületi besugárzók: • 50 - 150 kV, Szőrı: 1-6 mm Al, Szöveti felezıréteg: 1 - 4 cm
• Félmély besugárzás: • 80 – 120 kV, Szőrı: 2,5 – 5 mm Al, Szöveti felezıréteg: 2 - 3 cm
• Mély (orthovoltos) besugárzók: • 150 - 300 kV, Szőrı: 0.5 - 4 mm Cu, Szöveti felezıréteg: 4 - 7 cm
Besugárzó berendezések: • • • • • • • • •
Co-60 59Co + n →60Co 60Co →60Ni + γ1 + γ2 + ß- + ν foton energiák: 1.17 MeV és 1.33 MeV (1.25MeV) felezési idı: 5.261 év nagy fajlagos aktivitás Cs-137 foton: 0.661 MeV, felezési idı: 30 év kis fajlagos aktivitás
Sugárterápia tervezése 3D (három dimenzióban történő) computeres. A megfelelő adatok kalkulációja (sugárfizika). Ezek összevetése a tumor biológiával és szenzitivitással (Gaps, prolongálás, frakcionálás) A sugárkezelés szimulációja (szimulátorban) figyelembe véve a tumor és a rizikószervek viszonyát. A sugárkezelési mezők és a dózis eloszlás megerősítése (jóváhagyása)
Radiotherápia, sugárkezelés tervezése Fizikusi rész: Az optimális dózis eloszlás kiszámolása. A CTV-ben homogenitás. A maximálisan abszorbált dózis a CTV-ben. A rizikószervek védelme. A sugárkezelési volumen minimalizálása. Optimalizálás. A kezelés alatti quality control. Individualizált, optimalizált sugárkezelés
Radiotherápia, sugárkezelés tervezése Orvosi: A tumor diagnosztizálása: klinikai, pathológiai, lokalizációja. Meghatározása a: tumornak és a klinikai target volume-nak (CTV). A rizikószervek észlelése!
Sugárkezelés tervezése ALARA- elv „as low as reasonable” - homogén dózis eloszlás a tumoron belül - maximum dózis elérése a tumoron belüli aktív területeken - normál szövetek védelme
Optimális dózis Az adequát és inadequát dózis között nagyon kis különbség van. A klinikai megfigyelések alapján számított optimális biológiai effektust kell elérni.
Orvosi döntés Ha minden lehetőség biztosított akkor is szükséges a legjobb terápiás döntés meghozatala a beteg érdekében. (ONCOTEAM majd Sugárterápiás) A legjobb sugárkezelési módszert kell választani, amely megöli a tumorsejteket és elkerüli az egészséges sejteket.
Sugárterápia tervezéséhez szükséges adatok: - a beteg klinikai adatai (labor, tu. markers, Karnofsky stb.) stádium (TNM) - helye, nagysága, infiltráció/metasztázis, - képalkotó módszerek: Rtg., UH, CT, MR, PET, PET-CT, SPECT - histologia (pathológia) grading (G)
Besugárzástervezés • Homogén dóziseloszlás a céltérfogaton belül • Maximális dózis a céltérfogaton belül • Ép szövetek, kritikus szervek védelme
Céltérfogat meghatározása ICRU Report 50 (1991.) ICRU Report 62 (1999.)
GTV Gros tumor volume 1010 (leképezhető, képalkotón látható) CTV Clinical target volume 108 (mikroszkópikus terjedés – klinikai, biológiai határ)
PTV Planning Target Volume 102 (biztonsági zóna – geometriai portal határ ) Treated volume (Target Volume TV) Irradiated volume (Treatment Portal Volume TPV)
Célterület (kismedence)
Besugárzástervezés • Mélydózisok, izodózisgörbék, output faktorok minden mezőhöz (tervezőrendszer) • Betegadatok: testkontúrok (CT szeletek), inhomogenitások (tüdő) • Besugárzási körülmények mezőméret, gantry, kollimátor szög, izocentrum helye/belépés helye
Besugárzástervezés • Álló mezők • Mozgó mező • Ép szövetek védelmére takarások blokkok MLC • In vivo dozimetria, EPID (Electronic Portal Imaging Device)
A sugárkezelés dózis – hatás elmélete 20 Gy alatt: - nincs permanens károsítás 60-70 Gy (frakcionált irradiáció): tumor károsítás és repair az egészséges sejtekben.
Problémák Túldozírozás = radionecrosis Inadequát aluldozírozás = tumor recidíva
A radiotherápiás egységhez szükségesek: Megavoltos sugárforrás. Izocentrikus (pendel, rotációs) besugárzó készülék. Mezőtakaráshoz kellékek, kompenzátorok. Lézeres betegpozicionáló rendszer, a besugárzás alulról is kivitelezhető legyen. Beteg monitorizáló rendszer (EKG, légzés triggerelt).
Sugárkezelési technikák (RT) Brachytherapia
Teletherapia External Beam EBRT
Applikációs technika: Manualis After loading (AL)
Therapiás Rtg. csövek: (orthovolt, chaoul)
permanens „seeds”
Izotóppal működők: Cs-, Co ágyú Akcelerátorok: linearis –LINAC
AL Technikai kivitelezése Intracavitalis Interstitialis Moulage Intraluminalis
circularis - Cyclotron
Terápiás röntgencső Katód
Álló anód víz vagy olaj hűtés
Nagy fókusz → nagy intenzitás, nagy dózisteljesítmény
Chaoul (50 - 60 kV) Rtg cső Tubusok
Nagyfeszültségű kábel
Víz hűtés
Orthovolt (80 - 250kV Al, Cu ~cm)
60Co bomlási sémája 60Co 27
0.306 MeV β
60Ni 28
γ
1.172 MeV
γ
1.332 MeV
Kobalt ágyú
Forrás (tároló)
Forrás (besug.)
Lineáris gyorsító
izocentrum
Linear accelerator (LINAC)
MLC
HDR afterloading berendezés
Proton terápia
Bragg csúcs
William Bragg 1862-1942.
A kezelés folyamata Szimulátor
CT, PET/CT, CT szimulátor
Linac
Tervezőrendszer
Lokalizálás • Szimulátor használata (elő szim.) • Testhelyzet, testhelyzet rögzítők lézer, maszk, kéztartó, lábtartó, hascsapda ... • A céltérfogat helyének, kiterjedésének meghatározása • Képalkotó eljárások igénybevétele CT, MRI, PET, UH, ...
Szimulátor
rtg cső
képerősítő
CT szimulátor • Dedikált, gyors CT • Egyenes asztallap • Nagy apertura (kéztartó) • Nagy FOV • Virtuális szimulálás (software) • Lézer rendszer
Asztallap Sima asztal (CT szimulátor, szimulátor, besugárzó berendezések) indexált, karbonszálas asztallap, rögzítő pántok Íves asztal (CT, MR, PET/CT) Betét alkalmazása (indexált asztallap)
Testkontúr PET/CT: íves asztal
PET/CT:terápiás asztalbetét
Lézerrendszer •
Mező megjelenítése a beteg bőrén
Izocentrum és mező
Izocentrum és leaf alakzat
Izocentrum, mező és leaf alakzat
CARINAsim
Testhelyzet rögzítők Medence rögzítés
Hascsapda
Fejrögzítő maszk, lézer
Kéztartó
Vákuum matrac
Teströgzítők • ORFIT fej-nyaki régió 1997-től
Teströgzítők • CIVCO gyártmányú
A D Háton fekvő
2011. végétől
B C E F
Hason fekvő
Teströgzítők • CIVCO gyártmányú
2011. végétől
Emlő board Maszk
Teströgzítők • CIVCO gyártmányú
Medence rögzítése Maszk
2011. végétől
Belly board
Teströgzítők – CIVCO gyártmányú
Térdtartó
2011. végétől
Lábfejtartó
Teströgzítők • Adatlap • Rögzítő-pálca • Teströgzítők helyzetének dokumentálása
CT szimulátor • Dedikált, gyors CT • Egyenes asztallap • Nagy apertura (kéztartó) • TumorLoc (software) • Lézerrendszer
CT szimulátor • Dedikált, gyors CT • Egyenes asztallap • Nagy apertura (kéztartó) • TumorLoc (software) • Lézerrendszer
CT szimulátor • Egyenes asztallap • Nagy apertura (kéztartó) • Dedikált, gyors CT • TumorLoc (software) • Lézerrendszer
Lézerrendszer • LAP Pictor 3D LAP ZERO (860 mm) Tükör Minden reggel teszt • Kivetíti a(z) Izocentrumot Mezőt Leaf helyzeteket
Hagyományos szimulátor CT szimulátor • Hagyományos szimulátor átvilágítás, felvétel készítés megfelelő FAD (Focus Axis Distance) megfelelő mezőméret • CT szimulátor topo (ap, oldal) helicalis üzemmód → axális szeletek 3D képalkotás
Diagnosztikus CT CT szimulátor • CT képalkotás natív, kontrasztanyagos, több fázisú döntött gantry virtuális vizsgálatok (beteg nélkül) • CT szimulátor beteg reprodukálható fektetése TumorLoc (speciális software) testkontúr mezők (ap, oldal) referencia pont(ok)
Verifikáció Ap
Tervezőrendszer BEV
Monitor
TPS rekonstrukció
Fénymező
Utó szimuláció
Kazettában
Ipari film
Köszönöm a figyelmet!
Testkontúr PET/CT: íves asztal
PET/CT: terápiás asztalbetét
