A részecskefizika orvosi alkalmazásai

Átírás

1 A részecskefizika orvosi alkalmazásai Horváth Dezső RMKI és ATOMKI Forrás: Saverio Braccini CERN-előadásai Fodor János, Major Tibor, Kásler Miklós: Korszerű sugárterápia: teleterápia MOTESZ Magazin, 2007/2

2 Vázlat Történeti bevezető Gyorsítós diagnosztika Hagyományos sugárterápia Hadron-terápia Jövőkép CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások 2

3 A kezdet 1895 novembere: Röntgensugárzás Wilhelm Conrad Röntgen 1895 decembere: az első átvilágítás CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások 3

4 A modern fizika és orvosfizika kezdete Henri Becquerel ( )) 1896: Természetes rádioaktivitás Mme. Curie dolgozata 1904 α, β, γ mágneses térben Mintegy száz éve CERN aug : Rádium Maria Skłodowska Curie Pierre Curie Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások ( ) ( ) 1906) 1934) 4

5 Első alkalmazás a rákkezelésben Alapelv: A tumor helyi kezelése 1908: az első kísérlet bőrrák sugárzásos kezelésére Franciaországban ( Curiethérapie ) CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások 5

6 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 aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások 6

7 1930: a ciklotron létrehozása Felgyorsított atommag spirális pályája Ernest Lawrence ( ) CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások 7 Modern ciklotron Másolat látható a CERN Microcosm kiállításán

8 A Lawrence-fívérek John Lawrence, Ernest fívére, orvos volt Mindketten Berkeleyben dolgoztak Mesterséges izotóp első alkalmazása orvosi diagnosztikában A nukleáris medicina kezdete Az interdiszciplináris környezet segíti az innovációt! CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások 8

9 A neutron felfedezése 1932 James Chadwick ( ) CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások 9 Ernest Rutherford tanítványa Neutronokkal ma izotópokat állítanak elő orvosi diagnosztikára és terápiára Gyógyítanak bizonyos rákfajtákat

10 A lassú neutronok hatása O. D Agostino E. Segrè E. Amaldi F. Rasetti E. Fermi 1934: Jód Jód--rádioizotóp 50 új mesterséges elem között CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások 10

11 A szinkrotron függőleges mágneses tér Körpályán gyorsított részecskék 1944 a fázisstabilitás elve 1 GeV-es es elektron-szinkrotron Frascati - INFN CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások 11 Vekszler és McMillan Berkeley

12 Rádiofrekvenciás linac protonok és ionok gyorsítására Lineáris gyorsító (linac) λ= 1.5 m 200 MHz 100 MeV-es es linac a CERN Mikrokozmosz-kiállításánkiállításán L. Alvarez CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások Driftcsöves linac

13 A lineáris elektron-gyorsító Sigurd Varian William W. Hansen Russell Varian 1939: A klisztron feltalálása A kórházak hagyományos sugárterápiája ma is elektron-linacot linacot használ ~ 1 m CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások első elektron-linaclinac 4.5 MeV and 3 GHz

14 Kétüreges klisztron: mikrohullám erősítése CERN Elektronnyaláb aug. 20. sebességét Horváth Dezső: gyenge Orvosi alkalmazások mikrohullám modulálja 14 változó elektronsűrűség rezonátorban intenzív mikrohullám

15 CERN: linac-ok és erős fókuszálású szinkrotronok Large Hadron Collider (7+7) TeV 8.5 km A PS 1959-ben 1952: BNL (USA) erős fókuszálási módszere a CERN Proton-Szinkrotronában (PS) CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások 15

16 A világ működő gyorsítói GYORSÍTÓTÍPUS Nagyenergiás (E >1GeV) Szinkrotronsugárzó Rádioizotópok készítése orvosi célra Sugárterápiás gyorsító Kutatógyorsítók orvosi kutatásokra Ipari alkalmazású gyorsdítók Ion implanterek, felületkezelésre szolgálók TOTAL HASZNÁLATBAN (*) ~120 >100 ~200 > 7500 ~1000 ~1500 >7000 > CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások 16 (*) W. Maciszewski and W. Scharf: Int. J. of Radiation Oncology, 2004 A fele orvosi alkalmazásokat szolgál

17 Részecskedetektorok A részecskefizikusok "szeme" Impresszív fejlődés az utóbbi néhány évtizedben Geiger -Müller számláló ATLAS és CMS! Létfontosságú sok orvosi alkalmazásban CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások 17

18 Példa: sokszálas proporcionális számláló. Georges Charpak, CERN-i fizikus 1959 óta, Nobel-díj: 1992 Elkészült 1968-ban, elindította a tisztán elektronikus részecskeészlelést A biológiai kutatások alkalmazzák; nemsokára helyettesítheti a rádiobiológiát A megnövekedett adatrögzítési sebesség gyorsabb képalkotást jelen. CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások 18

19 Orvosdiagnosztikai alkalmazások CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások 19

20 A diagnosztika lényeges! Computer Tomography (CT) Ágyék CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások 20 A elektronsűrűség mérése Morfológiai (alaktan) információ

21 Magmágneses rezonancia (NMR) : 1945: Felix Bloch és Edward Purcell kidolgozza az NMR-t CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások : Felix Bloch lett a CERN első főigazgatója

22 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 CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások 22 Morfológiai információ

23 Az MRI-szkenner CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások 23

24 SPECT = Single Photon Emission Computer Tomography Reaktor lassú neutronjaival 98 Mo + n = 99 Mo + γ 99 Mo (66 h) = 99m Tc (6 h) + e - + ν 0.14 MeV-es gamma Emilio Segrè 1937: A Technetium elem felfedezése 97 CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások Tc(2.6 My) 1938: A 99m Tc felfedezése E. McMillan-nalnal

25 A nukleáris orvosi vizsgálatok 85%-a a reaktorok lassú neutronjaival előállított technéciumot használja máj tüdő csont Ólom kollimátorok a 0.14 MeV-es gammák terelésére SPECT scanner A technéciumot tartalmazó molekulák sűrűségének mérése Morfológia és/vagy metabolizmus Forgó fej detektorokkal 0.14 MeV gammák CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások 25

26 Pozitron-Emissziós Tomográfia (PET) 18 F-al jelzett FDG a leggyakoribb anyag (felezési idő 110 perc) A 18 F megoszlásának mérése 180- fokban szórt fotonokkal Információ: metabolizmus Gamma -detektorok (Pl. BGO kristályok) PET-tomográf PET-kép Protonok ~15 MeV, ~50 µa Ciklotron CT-PET CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások 26

27 Hogyan működik? H 18 2 O vizet bombázunk protonnal 18 F keltésére Fluoro-Deoxy-D-Glucose (FDG) szintézise Glucose FDG FDG-t a kórházban szállítják FDG -t beadják a betegnek FDG csapdába esik a sejtekben, amelyek metabolizálni próbálják. A koncentrációja a glükóz-metabolizmus sebességével arányos CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások 27 A tumorok glükóz-metabolizmusa igen aktív, forró foltok a PET-képeken.

28 Metabolizmus-mérés mérés PET-tel CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások 28 A kokainfüggő agya passzívabb

29 Új diagnosztika: CT/PET morfológia metabolizmus David Townsend CERN: és Ronald Nutt (CTS CTI) CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások 29

30 Alkalmazás sugárzásos rákkezelésben CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások 30

31 Módszerek: brachiterápia Teleterápia: Tumor bombázása külső forrású sugárzással Brachiterápia: Sugárforrás elhelyezése a testben Radio-immunoterápia: immunoterápia: Az izotópot szelektív vektor hordozza Magok bevitel előtt mag CERN bevitele aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások 31

32 célzott radio-immunoterápiaimmunoterápia α részecskék Bismuth-213-ból Radioaktívitás a rák kezelésében leukémiára β részecskék Yttrium-90-ből glioblastomára gamma Cobalt-60-ból teleterápia (agytumor-fajta) mély tumorra CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások 32 Cobalt source 2000 Cobalt-60 (1 MeV-es es gamma) atomreaktorban lassú neutronokkal

33 Teleterápia röntgensugárral e - + target X Elektron-linac 3 GHz target 6-20 MeV [1000 x Röntgen] CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások 33 Elektron-linac linac kelt gamma -sugárzást 20'000 páciens/év/10 millió lakos

34 Elektron-linac linac orvosi célra CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások 34

35 Computerized Treatment Planning System (TPS) CT szken alapján: tervezik besugárzandó térfogatot megválasztják a sugárzási teret kiszámítják a target és az egészséges szövet dózisát A számolt dózist (cca. 2 Gray) adagban adják. CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások 35

36 A röntgenterápia problémája Photons Protons Röntgennyaláb Photons Protons Dózisszint Target Az ép sejteket is roncsolja Nem szelektív CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások 36

37 A röntgenterápia problémája Megoldás: Sok keresztezett nyaláb Intensity Modulation Radiation Therapy (IMRT) 9 különböző fotonnyaláb Az egészséges szövetbe vitt dózis limitál! CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások 37 Főleg a közeli szervek veszélyben (OAR: Organs At Risk)

38 Intenzitás-modulált sugárterápia (IMRT) 3-fields IMRT Prescription Dose OR PTV Többrétegű kollimátor, amely mozog besugárzás alatt CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások 38 Konkáv dózistérfogat is elérhető Időigényes (bizonyos esetekben használják)

39 Prosztatarák kezelése: szimuláció Sokszeletes kollimátor CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások 39 Prosztatarák kezelésének előkészítése szimulációval

40 Konformális dóziseloszlás IMRT-vel Daganat: 70 Gy Terjedési régió: 50 Gy Gerincvelő: < 25 Gy CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások 40

41 Tomoterápia A tumort forgó gyorsítóból, mozgatott beteggel, spirálisan sugározzák be. Az intenzitást többrétegű kollimátorral szabályozzák CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások 41 CT-képalkotás az apparátusban

42 Lineáris gyorsító + röntgen-ct CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások 42

43 A gamma-kés Lars Leksell (idegsebész) és Borje Larsson (fizikus) javasolta 1967-ben (Karolinska Institutet, Stockholm) Bizonyos agytumorok, érsebészeti esetek, agyelváltozások kezelésére Kis térfogatú szövődmények (pl. agyban) egy menetben történő kezelése ( stereo-tactic tactic radio-surgery ) Ma már több, mint betegre évente CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások db 60 Co sugárforrás

44 A kiber-kés kés Könnyű 6 MV-os röntgen-linac robotkarra szerelve Kezelés alatti átvilágítással ellenőrzik a sérülés helyét és a kezelés folyamatát Több részletben végezhető Kis térfogatú tumorok kezelésére ( Agy, fej-nyak, tüdő, hátgerinc, lágyék, ágyék) CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások 44

45 Cyberknife: lineáris gyorsító robotkaron Pontos célzás Sokmezős besugárzás CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások 45

46 Intra Operative Radiation Therapy (IORT) Elektronbesugárzás operáció alatt Elektronenergia: 3 9 MeV Dózisterhelés: 6 30 Gy/min Besugárzási idő (21 Gy): min CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások 46

47 Csinálhatjuk jobban? 2 X ray beams 9 X ray beams (IMRT) A részecskefizíkus kérdése: CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások 47 Van-e jobb módszer a beteg szövet besugárzására és az egészséges kímélésére? Válasz : Igen, a töltött hadronnyaláb!

48 Vissza a fizikához... Fizikai alapkutatás: részecskék azonosítása Leadott energia: Bragg-csúcs L3 at LEP CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások 48 Orvosi alkalmazás rákkezelés hadronokkal

49 A hadronterápia alapelve Protonok 200 MeV 1 na 27 cm Tumor target Szénionok 4800 MeV 0.1 na Hadronnyaláb anyagban lassul Bragg-csúcs: maximális energiavesztés tumorban Jobb igazítás a tumor alakjához ép szövet kímélése Töltött hadronok jól terelhetők Nehéz ionok biológiai hatása nagyobb CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások 49 Találós kérdés: miért éppen proton és szénion?

50 Röntgen- és hadronnyaláb Röntgen Proton vagy szénion CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások 50

51 Dóziseloszlás: aktív söpörtetés Longitudinális sík Transverzális sík patient nyaláb fast slow horizontal scanning vertical scanning beam tumour volume energy variation CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások 51 Új technika, jórászt a GSI- ben és PSI-ben fejlesztve

52 Protonterápiás állvány CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások 52

53 Potenciális betegek száma 10 millió lakosra Study by AIRO, 2003 Italian Association for Oncological Radiotharapy Röntgenterápia: 20' beteg/év 10 M lakosra Protonterápia: Röntgenkezeltek 12%-a = 2400 beteg/év Szénion-kezelés radio-rezisztens rezisztens tumorra: Röntgenkezeltek 3%-a = 600 beteg/év TOTÁL cca beteg/év 50 M lakosra CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások 53 Protonterápia: 4-5 centrum Szénion-terápia: 1 centrum

54 The Loma Linda University Medical Center (USA) Az első kórházi proton- terápiás centrum, ban épült napi ~160 kezelés ~1000 beteg/év CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások 54

55 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 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 carbon TSUKUBA CENTRE Ibaraki (2001) protons ( 270 MeV) synchrotron (Hitachi) 2 gantries 2 beams for research KASHIWA CENTER Chiba (1998) protons ( 235 MeV) cyclotron (IBA SHI) 2 Gantries + 1 hor. beam proton linac 29 m CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások szénionos beteg SHIZUOKA FACILITY Shizuoka (2002) Proton synchrotron 2 gantries + 1 h beam HEAVY ION MEDICAL ACCELERATOR HIMAC of NIRS (1995) He and C ( 430 MeV/u) 2 synchrotrons 2 h beams + 2 v beams 2000 szénionos beteg

56 PROSCAN (PSI) ACCEL SC ciklotron Kisérlet OPTIS 2. állvány 1. állvány CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások 56 SC 250 MeV proton-ciklotron Új protonos állvány

57 Szénion-terápia Európában 1998: kísérleti projekt (GSI, G. Kraft) 200 beteg kezelése szénionnal CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások 57 PET on-beam

58 PET on-beam Szimuláció A beteggel közölt valódi dózis méráése CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások 58 Mérés

59 Kompakt szupravezető szinkrotron terve 9.5 T SC mágnes ~50 cm átmérőn 250 MeV-es es protonok Innovatív terítési technika: kétszeres szórás könnyű és nehéz folyadékokban Célja: egy állvány - egy szoba Bonyolult, de skálaváltozáshoz vezet MIT és Still River dolgozik rajta CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások 59

60 Hadronterápia gyors neutronokkal Berkeley, 1938 Neutron semleges nincs Bragg-csúcs MeV-es es neutronok ciklotronnal (p + Be reaction) CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások 60 MeV-es es neutronokkal magreakció nagy helyi sugárterhelés Radio-rezisztens tumourokra (nyálmirigy, nyelv, agy) 9 központban [pl. Orleans (F), Fermilab (USA)]

61 Boron Neutron Capture Therapy (BNCT) G.L. Locher javaslata, 1936 (4 évvel a neutron felfedezése után!) Olyan magot vinni a ráksejtbe, amely neutronbefogásra nehéz fragmentumokra hasad és így sok lokális energiát szabadít fel. 10 B izotóp a legjobb: Van bőven (természetes B 20%-a) Fragmentumai gyorsan lefékeződnek (egy sejten belül) Jól ismert a kémiája CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások 61 Nehézség: Nehéz elérni szelektív lokalizációt a tumorban!

62 Konklúzió A részecskefizika hatékony eszközöket kínál a többi tudománynak, az orvostudománynak is. Betegségek vizsgálata, dianosztikája és gyógyítása. A megfelelő fejlesztéshez fizikusnak és orvosnak együtt kell dolgoznia. A hadronterápia nagyon gyorsan fejlődik: Protonterápia népszerű és sokan csinálják Szénion-terápia: több helyen elkezdték vagy tervezik A részecskefizika nemcsak szép, hasznos is. CERN aug. 20. Horváth Dezső: Orvosi alkalmazások 62