Fizika a gyógyítás szolgálatában

Átírás

1 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 augusztus 17. HTP2012, CERN 1

2 Tartalom Tört rténeti bevezetı Gyorsítós s diagnosztika Hagyományos sugárter rterápia Hadron-ter terápia Jövıkép CERN augusztus 17. HTP2012, CERN 2

3 A kezdet 1895 novembere: Röntgensugárzás Wilhelm Conrad Röntgen 1895 decembere: az elsı átvilágítás CERN augusztus 17. HTP2012, CERN 3

4 A modern fizika és az orvosi fizika kezdete 1896: Természetes radioaktivitás Henri Becquerel ( ) 1898: Rádium Mme. Curie dolgozata 1904-ben: α, β, γ mágneses térben Mintegy száz éve CERN augusztus 17. HTP2012, CERN Maria Skł Skłodowska Curie Pierre Curie ( ) 1934) ( ) 1906) 4

5 Elsı alkalmazások a rák kezelésében Alapelv: A tumor helyi kezelése 1908: az elsı kísérlet bırrb rrák sugárz rzásos kezelésére Franciaországban ( Curiethérapie ) CERN augusztus 17. HTP2012, CERN 5

6 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 augusztus 17. HTP2012, CERN 6

7 Szilárd Leó ötlete (1926) Rolf Wideroe terve (1928) Ernest Lawrence megvalósította (1930) Felgyorsított atommag spirális pályp lyája 1930: a ciklotron létrehozása Modern ciklotron Ernest Lawrence ( ) Nobel-díj j 1939 Másolat láthatl tható a CERN Microcosm kiáll llításán CERN augusztus 17. HTP2012, CERN 7

8 A Lawrence-fivérek John Lawrence,, Ernest fivére, orvos volt Mindketten Berkeleyben dolgoztak Mesterséges izotóp elsı alkalmazása orvosi diagnosztikában A nukleáris medicina kezdete John Az H. interdiszciplináris Lawrence használt ris elıször mesterségesen elı- környezet segíti az állított radioaktív innováci ciót! 32 P-t t a leukémia terápiájában (1936) CERN augusztus 17. HTP2012, CERN 8

9 A neutron felfedezése 1932 James Chadwick ( ) Ernest Rutherford tanítv tványa Neutronokkal ma - Izotópokat állítanak elı orvosi diagnosztikára és s terápi piára - Gyógy gyítanak egyes rákfajtr kfajtákatkat CERN augusztus 17. HTP2012, CERN 9

10 függıleges mágneses tér A szinkrotron megjelenése 1944 a fázisstabilitf zisstabilitás s elve Körpályán n gyorsított részecskék 1 GeV-es es elektron-szinkrotron Frascati - INFN Veksler és McMillan Berkeley CERN augusztus 17. HTP2012, CERN 10

11 Rádiófrekvenciás lineáris gyorsító protonok és ionok gyorsítására Lineáris gyorsító (linac) λ= 1.5 m 200 MHz 100 MeV-es es linac a CERN Mikrokozmosz- kiáll llításán L. Alvarez 1946 Driftcsöves linac Nobel-díj j 1968 (nem ezért) CERN augusztus 17. HTP2012, CERN 11

12 A lineáris elektron-gyorsító Sigurd Varian William W. Hansen Russell Varian 1939: A klisztron feltalálása ~ 1 m A kórhk rházak hagyományos sugárter rterápiája ma is elektron- linacot használ 1947 elsı elektron-linac linac 4.5 MeV and 3 GHz CERN augusztus 17. HTP2012, CERN 12

13 A világ mőködı gyorsítói GYORSÍTÓTÍPUS Nagyenergiás (E >1GeV) Szinkrotronsugárz rzó Radioizotópok készk szítése se orvosi célrac Sugárter rterápiás s gyorsító Kutatógyorsítók orvosi kutatásokra Ipari alkalmazású gyorsítók Ion implanterek, felületkezelésre szolgálók TOTAL HASZNÁLATBAN (*) ~120 >100 ~200 > 7500 ~1000 ~1500 >7000 > (*) W. Maciszewski and W. Scharf: Int. J. of Radiation Oncology, 2004 A fele orvosi alkalmazásokat szolgál! l! CERN augusztus 17. HTP2012, CERN 13

14 Részecskedetektorok A részecskefizikusok "szeme Létfontosságú sok orvosi alkalmazásban! 10 cm CMS detektor a CERN-ben Megdöbbentı fejlıdés az utóbbi néhány évtizedben Geiger -Müller számláló ATLAS és CMS! ember CERN augusztus 17. HTP2012, CERN 14

15 Példa: sokszálas proporcionális számláló. Georges Charpak ( ), 2010), CERN-i fizikus 1959 óta, Nobel-díj: 1992 Elkész szült 1968-ban Elindította a tisztán n elektronikus részecsker szecske-észleléstst A biológiai kutatások is alkalmazzák A megnövekedett adatrögz gzítési sebesség g gyorsabb képalkotk palkotást (azaz kisebb sugárterhel rterhelést) és s gyorsabb diagnosztikát t jelent. CERN augusztus 17. HTP2012, CERN 15

16 Orvosdiagnosztikai alkalmazások CERN augusztus 17. HTP2012, CERN 16

17 A diagnosztika lényeges! Computer Tomography (CT) Detektor-sor Röntgen-csı körbe forog Az elektronsőrőség g mérésem Morfológiai (alaktan) informáci ció CERN augusztus 17. HTP2012, CERN 17

18 Mágneses atommagrezonancia (NMR) : 1945: Felix Bloch és s Edward Purcell kidolgozza az NMR-t (nemcsak protonokkal lehet!) Az atommagok két fontos tulajdonsága: 1 Perdület (protonokra h ) 2 Mágneses momentum 1954: Felix Bloch lett a CERN elsı fıigazgatója Nobel-díj j 1952 CERN augusztus 17. HTP2012, CERN 18

19 Az MRI-szkenner Például: koponya rétegfelvételek CERN augusztus 17. HTP2012, CERN 19

20 SPECT = Single Photon Emission Computer Tomography Mőködése: a testbe gamma-bomló radioaktív izotópot (leggyakrabban 99m Tc) visznek be, bizonyos vegyülethez kötve. ahol a vegyület feldúsul, onnan indulnak ki a gamma-sugarak. A testbıl kijövı gamma-sugarakkal alkotunk képet A radioaktív v izotópot tartalmazó molekulák k eloszlásának (sőrőségének) mérésem Morfológia és/vagy metabolizmus informáci ció Sztatikus Dinamikus CERN augusztus 17. HTP2012, CERN 20

21 SPECT scanner A nukleáris orvosi vizsgálatok 85%-a a a reaktorok lassú neutronjaival elıáll llított technéciumot ciumot használja Scanner: (felfedezte Emilio A detektorfej forog Segré 1938, Nobel-díj 1959 az antiproton felfedezéséért) Ólom kollimátorok a 0.14 MeV-es gammák terelésére 0.14 MeV gammák CERN augusztus 17. HTP2012, CERN 21

22 Pozitron-Emissziós Tomográfia (PET) 18 F-al jelzett FDG a leggyakoribb anyag (felezési idı 110 perc) A 18 F eloszlásának mérése m 180- fokban kibocsátott fotonokkal Informáci ció: : metabolizmus Protonok ~15 MeV,, ~50 µa Gamma -detektorok (Pl. BGO kristályok lyok) PET-tomogr tomográf PET-kép Ciklotron CERN augusztus 17. HTP2012, CERN 22

23 Metabolizmus-mérés mérés PET-tel A kokainfüggı agya passzívabb CERN augusztus 17. HTP2012, CERN 23

24 Új diagnosztika: : CT/PET morfológia metabolizmus David Townsend CERN: és Ronald Nutt (CTS CTI) Kombinált CT/PET fejlesztése: 1990-es évektıl kezdve CERN augusztus 17. HTP2012, CERN 24

25 Alkalmazás sugárzásos rákkezelésben (sugárterápia) CERN augusztus 17. HTP2012, CERN 25

26 Radioaktív tők bevitel elıtt Módszerek Brachiterápia: : Sugárforrás elhelyezése a testben Radio-immunoterápia immunoterápia: : Az izotópot szelektív vektor hordozza Teleterápia: : Tumor bombázása külsı forrású sugárzással Brachiterápia (példa): prosztata sugárterápiája radioaktív tőkkel tőt bevitele CERN augusztus 17. HTP2012, CERN 26

27 Radioaktivitás a rák kezelésében célzott radio-immunoter immunoterápia α részecskék k Bizmut ból leukémi miára β részecskék k Yttrium bıl gamma Cobalt ból teleterápia glioblastomára (agytumor-fajta) fajta) mély tumorra Cobalt-60 (~1 MeV-es es gammák) 60 Co elıáll llítása: atomreaktorban lassú neutronokkal CERN augusztus 17. HTP2012, CERN 27

28 Teleterápia röntgensugárral e - + target X Elektron-linac 3 GHz target 6-20 MeV [1000 x Röntgen] Elektron-linac linac kelt röntgenr ntgen-sugárzást 20'000 páciens/ p ciens/év/10 millió lakos CERN augusztus 17. HTP2012, CERN 28

29 Elektron-linac linac orvosi célra CERN augusztus 17. HTP2012, CERN 29

30 A röntgenterápia problémája Photons Protons Röntgennyaláb Célterület Dózisszint Az ép p sejteket is roncsolja Nem szelektív CERN augusztus 17. HTP2012, CERN 30

31 A röntgenterápia problémája Megoldás: Sok keresztezett nyaláb Intensity Modulation Radiation Therapy (IMRT) 9 különbk nbözı fotonnyaláb Az egészs szséges szövetbe vitt dózis d limitál! l! Fıleg a közeli k szervek veszélyben (OR: Organs at Risk) CERN augusztus 17. HTP2012, CERN 31

32 Intenzitás-modulált sugárterápia (IMRT) 3-fields IMRT Prescription Dose OR PTV Többrétegő kollimátor,, amely mozog a besugárzás alatt Konkáv v dózistd zistérfogat is elérhet rhetı Idıig igényes (csak bizonyos esetekben használj lják) k) CERN augusztus 17. HTP2012, CERN 32

33 Konformális dóziseloszlás IMRT-vel Daganat: 70 Gy Terjedési régió: 50 Gy Gerincvelı: < 25 Gy CERN augusztus 17. HTP2012, CERN 33

34 Lineáris gyorsító + röntgen-ct CERN augusztus 17. HTP2012, CERN 34

35 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 stereo-tactictactic radio-surgery surgery ) Ma már több, mint betegre évente 201 db 60 Co sugárforrás CERN augusztus 17. HTP2012, CERN 35

36 A kiber kiber-kés Könnyő 6 MV-os röntgen- linac 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 augusztus 17. HTP2012, CERN 36

37 Cyberknife: : lineáris gyorsító robotkaron Pontos célzc lzás Sokmezıs besugárz rzás CERN augusztus 17. HTP2012, CERN 37

38 Intra Operative Radiation Therapy (IORT) Elektronbesugárz rzás operáci ció alatt Elektronenergia: 3 9 MeV Dózisterhelés: s: 6 30 Gy/min Besugárz rzási idı (21 Gy): min CERN augusztus 17. HTP2012, CERN 38

39 Csinálhatjuk még jobban? 2 X ray beams 9 X ray beams (IMRT) A részecskefizikus r kérdk rdése: Van-e e jobb módszer m a beteg szövet besugárz rzására ra és s az egészs szséges kímélésére? Válasz : Igen, a töltt ltött tt hadronnyaláb! CERN augusztus 17. HTP2012, CERN 39

40 Vissza a fizikához... Fizikai alapkutatás: részecskék k azonosítása sa Leadott energia: Bragg-cs csúcs L3 at LEP Orvosi alkalmazás rákkezelés hadronokkal CERN augusztus 17. HTP2012, CERN 40

41 A hadronterápia alapelve Protonok 200 MeV 1 na 27 cm Tumor target Hadronnyaláb Szénionok 4800 MeV anyagban lassul 0.1 na Bragg-csúcs csúcs: : maximális energiavesztés tumorban Jobb igazítás a tumor alakjához ép szövet kímélése Töltött hadronok jól terelhetık Nehéz ionok biológiai hatása nagyobb Találós s kérd k rdés: miért éppen proton és s szénion? CERN augusztus 17. HTP2012, CERN 41

42 Röntgen- és hadronnyaláb Röntgen Proton vagy szénion CERN augusztus 17. HTP2012, CERN 42

43 Dóziseloszlás: aktív söpörtetés Longitudinális síks Transzverzális síks patient fast slow nyaláb horizontal scanning vertical scanning beam tumour volume energy variation Új j technika, jórészt j a GSI-ben és PSI-ben fejlesztve CERN augusztus 17. HTP2012, CERN 43

44 Protonterápiás állvány CERN augusztus 17. HTP2012, CERN 44

45 Potenciális betegek száma 10 millió lakosra 10 M lakosra Röntgenterápia: : 20' beteg/év Study by AIRO, 2003 Italian Association for Oncological Radiotharapy Protonterápia: Röntgenkezeltek 12%-a a = 2400 beteg/év Szénion nion-kezelés radio-rezisztens rezisztens tumorra: Röntgenkezeltek 3%-a a = 600 beteg/év TOTÁL L cca beteg/év 50 M lakosra Protonterápia: centrum Szénion nion-terápia: 1 centrum CERN augusztus 17. HTP2012, CERN 45

46 The Loma Linda University Medical Center (USA) Az elsı kórházi proton- terápi piás s centrum, ban épült napi ~160 kezelés ~1000 beteg/év CERN augusztus 17. HTP2012, CERN 46

47 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 50 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 CERN augusztus 17. HTP2012, CERN 47

48 PROSCAN (PSI) Villingen (Svájc) ACCEL SC ciklotron Kísérlet OPTIS 2. állvány 1. állvány SC 250 MeV proton-ciklotron Új j protonos állvány CERN augusztus 17. HTP2012, CERN 48

49 Protonterápia Krakkóban (Lengyelország) PROTEUS ciklotron állvány Készen van 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: MeV CERN augusztus 17. HTP2012, CERN 49

50 1998: kísérleti k projekt (GSI, G. Kraft) 200 beteg kezelése szénionnal Szénion-terápia Európában PET on-beam CERN augusztus 17. HTP2012, CERN 50

51 PET on-beam Szimuláció A beteggel közölt k valódi dózis mérése radioaktív 11 C ion- nyalábbal (PET) Mérés CERN augusztus 17. HTP2012, CERN 51

52 Heidelbergi Ionnyaláb-terápiai Központ Heidelbergi Egyetem kórh k rházában Ünnep nnepélyes megnyitás: 2009 nov. 2 Terv: 1300 páciens p / év Szinkrotron: proton, szén-,, héliumh lium- és s oxigénion CERN augusztus 17. HTP2012, CERN 52

53 Hadronterápia gyors neutronokkal Berkeley, 1938 Neutron: semleges nincs Bragg-csúcs MeV-es es neutronok ciklotronnal (p + Be reaction) MeV-es es neutronokkal magreakció nagy helyi sugárterhelés Radio-rezisztens tumorokra (nyálmirigy, nyelv, agy) 9 központban [pl. Orleans (F), Fermilab (USA)] CERN augusztus 17. HTP2012, CERN 53

54 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. 10 B izotóp a legjobb: Van bıven (természetes B 20%-a) 10 B(n,α) 7 Li + 2,31 MeV energia Fragmentumai gyorsan lefékezıdnek (egy sejten belül) Jól ismert a bór kémiája Nehézs zség: Nehéz z elérni szelektív lokalizáci ciót t a tumorban! CERN augusztus 17. HTP2012, CERN 54

55 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 augusztus 17. HTP2012, CERN 55

56 Köszönöm a megtisztelı figyelmet! CERN augusztus 17. HTP2012, CERN 56