A fizika egészségünk szolgálatában

Átírás

1 A fizika egészségünk szolgálatában Tartalom Törté rténeti bevezetı bevezet BME Nukleáris Technikai Intézet Gyorsí Gyorsítós diagnosztika Hagyomá Hagyományos sugá sugárterá rterápia HadronHadron-terá terápia Jövık kép 1 2 A modern fizika és az orvosi fizika kezdete A kezdet 1895 novembere: novembere: Röntgensugá ntgensugárzá rzás Henri Becquerel (1852( ) 1908) 1896: Termé Természetes radioaktivitá dioaktivitás 1898: Rádium Wilhelm Conrad Röntgen Marie Curie dolgozata 1904-ben: 1895 decembere: decembere: az elsı elsı átvilá tvilágítás Mintegy szá száz éve 3 α, β, γ mágneses térben Maria Skł Skłodowska Curie Pierre Curie ( ) ( ) 1906) 1934) 4 1

2 Elsı alkalmazások a rák kezelésében Hatalmas elırelépés... a fiziká fizikában és Orvosi diagnosztiká diagnosztikában Alapelv: Alapelv: A tumor helyi kezelé kezelése Sugá Sugárzá rzásos rákkezelé kkezelésben három alapvetı alapvetı eszkö eszköznek köszö szönhetı nhetıen: en: M. S. Livingston és E. Lawrence a 2525-inches ciklotronnal Részecskegyorsí szecskegyorsítók 1908: az elsı elsı kísérlet bırrá rrák sugá sugárzá rzásos kezelé kezelésére Franciaorszá Franciaországban ( Curiethé Curiethérapie rapie ) 5 Részecskedetektorok Szá Számítógépek Fermi GeigerGeiger-Müller szá számlá mlálója Rómában 1930: a ciklotron létrehozása A LawrenceLawrence-fivérek Felgyorsí Felgyorsított atommag spirá spirális pályá lyája Ernest Lawrence ( ) Modern ciklotron 7 John Lawrence, Ernest fivére, vére, orvos volt Mindketten BerkeleyBerkeleyben dolgoztak Mesterséges izotóp elsı alkalmazása orvosi diagnosztikádiagnosztikában A nukleáris medicina kezdete John Lawrence használt Az H. interdiszcipliná áris interdiszciplin elıször mesterségesen elıelıkörnyezet segí í ti az seg állított radioaktív 32P-t a innová á ció ó t! innov ci leukémia terápiájában (1936) Másolat látható tható a CERN Microcosm kiá kiállí llításán 6 8 2

3 Rádiofrekvenciás lineáris lineáris gyorsító protonok és ionok gyorsítására A neutron felfedezése 1932 Az atomokban elektronok keringenek Lineá Lineáris gyorsí gyorsító (linac) linac) James Chadwick az atommag körül, ( ) 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 MeVMeV-es linac a CERN MikrokozmoszMikrokozmoszkiá kiállí llításán Sigurd Varian 1946 Driftcsö Driftcsöves linac A lineáris elektronelektron-gyorsító L. Alvarez A világ mőködı gyorsítói William W. Hansen GYORSÍ GYORSÍTÓTÍPUS Nagyenergiás (E >1GeV) HASZNÁ HASZNÁLATBAN (*) (*) ~120 Szinkrotronsugá Szinkrotronsugárzó rzó >100 Radioizot dioizotó ópok készí szítése orvosi célra Russell Varian 1939: A klisztron feltalá feltalálása > ~1000 Ipari alkalmazású gyorsítók ~1500 Ion implanterek, felületkezelésre szolgálók >7000 ~1m > (*) W. Maciszewski and W. Scharf: Int. J. of Radiation Oncology, elsı elsı elektronelektron-linac 4.5 MeV and 3 GHz ~200 Sugá Sugárterá rterápiá piás gyorsí gyorsító Kutatógyorsítók orvosi kutatásokra TOTAL A kórhá rházak hagyomá hagyományos sugá sugárterá rterápiá piája ma is elektronelektronlinacot haszná használ 10 A fele orvosi alkalmazá alkalmazásokat szolgá szolgál

4 Részecskedetektorok Példa: sokszálas proporcionális számláló. A részecskefizikusok "szeme" Impresszív fejlıdés az utóbbi néhány évtizedben Geiger -Müller számláló ATLAS és CMS! Létfontosságú sok orvosi alkalmazásban 13 Georges Charpak ( ) 2010), CERN-i fizikus 1959 óta, Nobel-díj: : 1992 Elkész szült 1968-ban Elindította a tisztán elektronikus részecske-észleléstst A biológiai kutatások is alkalmazzák Nemsokára helyettesítheti theti a radiobiolr diobiológiát. A megnövekedett adatrögz gzítési sebesség gyorsabb képalkotást (azaz kisebb sugárterhel rterhelést) és gyorsabb diagnosztikát jelent. 14 A diagnosztika lényeges! Computer Tomography (CT) Detektor-sor Orvosdiagnosztikai alkalmazások Röntgen-csı körbe forog Az elektronsőrőség g mérésem Morfológiai (alaktan) informáci ció

5 Mágneses atommagrezonancia (NMR) : 1945: Felix Bloch és Edward Purcell kidolgozza az NMR-t MRI = Magnetic Resonance Imaging 1. Fı mágnes (0.5-1 T) 2. RF adó antenna 3. RF vevı antenna 4. Gradiens tekercsek (nemcsak protonokkal lehet!) Az atommagok két fontos tulajdonsága: 1 Perdület (protonokra h ) 2 Mágneses momentum 1954: Felix Bloch lett a CERN elsı fıigazgatója 17 Mit tud meghatározni rozni? A protonok (víz) sőrősége szövetekben Morfológiai informáci ció 18 Az MRI-szkenner SPECT = Single Photon Emission Computer Tomography Például: koponya rétegfelvételek Mőködése: a testbe gamma-bomló radioaktív izotópot 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 eloszlásának (sőrőségének) mérése Morfológia és/vagy metabolizmus informáci ció Sztatikus Dinamikus

6 SPECT SPECT = Single Photon Emission Computer Tomography A leggyakrabban használt radioaktív izotóp: a technécium Elıállítása: reaktor lassú neutronjaival 98 Mo + n = 99 Mo + γ 99 Mo (66 h) = 99m Tc (6 h) + e - + ν 0.14 MeV-es gamma A gamma-sugarakkal való képalkotáshoz nincsenek lencsék, ezért speciális kollimá- torokat használnak 21 Emilio Segrè 1937: A technécium elem felfedezése 97 Tc (2.6 My) 1938: A 99m Tc felfedezése E. McMillan-nal nal 22 SPECT scanner A nukleáris orvosi vizsgálatok 85%-a a a reaktorok lassú neutronjaival elıáll llított technéciumot ciumot használja máj tüdı csont Ólom kollimátorok a 0.14 MeV-es gammák terelésére Scanner: A detektorfej forog 0.14 MeV gammák 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 Gamma -detektorok (Pl. BGO kristályok lyok) PET-tomogr tomográf PET-kép Protonok ~15 MeV,, ~50 µa Ciklotron

7 H 18 2 O vizet bombázunk protonnal 18 keltésére (p,n) reakció Hogyan mőködik? 18 F Fluoro-Deoxy Deoxy-D-Glucose (FDG) szintézise Metabolizmus-mérés mérés PET-tel Glucose FDG FDG-t a kórhk rházba száll llítják FDG -t t beadják k a betegnek FDG csapdába esik a sejtekben, amelyek metabolizálni lni próbálj lják. A koncentráci ciója a glükóz-metabolizmus sebességével arányos A tumorok glükóz-metabolizmusa igen aktív, forró foltok a PETképeken. 25 A kokainfüggı agya passzívabb 26 Új diagnosztika: : CT/PET morfológia metabolizmus David Townsend CERN: és Ronald Nutt (CTS CTI) Alkalmazás sugárzásos rákkezelésben (sugárterápia)

8 Radioaktív tők bevitel elıtt Módszerek Brachiterápia: : Sugárforrás elhelyezése a testben Radio-immunoterápia immunoterápia: : Az izotópot szelektív vektor hordozza Teleterápia: : Tumor bombázása külsı forrású sugárzással 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 tő t bevitele 29 Cobalt-60 (~1 MeV-es es gammák) 60 Co elıáll llítása: atomreaktorban lassú neutronokkal 30 Teleterápia röntgensugárral Elektron-linac linac orvosi célra 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

9 Mi van az orvosi besugárzásra használt LINAC belsejében? Computerized Treatment Planning System (TPS) CT scan alapján: tervezik a besugárzandó térfogatot megválasztják a sugárzási teret kiszámítják a célterület és az egészséges szövet dózisát A számolt dózist (cca. 2 Gray) adagban adják A röntgenterápia problémája A röntgenterápia problémája Photons Protons Röntgennyaláb Megoldás: Sok keresztezett nyaláb Intensity Modulation Radiation Therapy (IMRT) Célterület Dózisszint Az ép p sejteket is roncsolja Nem szelektív Az egészs szséges szövetbe vitt dózis d limitál! l! Fıleg a közeli k szervek veszélyben (OAR: Organs At Risk) 9 különbk nbözı fotonnyaláb

10 Intenzitás-modulált sugárterápia (IMRT) Prosztatarák kezelése: szimuláció 3-fields IMRT Prescription Dose OR PTV Konkáv v dózistd zistérfogat is elérhet rhetı Többrétegő kollimátor,, amely mozog besugárzás alatt Idıig igényes (bizonyos esetekben használj lják) k) 37 Sokszeletes kollimátor Prosztatarák k kezelésének elıkész szítése se szimuláci cióval 38 Konformális dóziseloszlás IMRT-vel Lineáris gyorsító + röntgen-ct Daganat: 70 Gy Terjedési régió: 50 Gy Gerincvelı: < 25 Gy

11 A kiber kiber-kés Cyberknife: lineáris gyorsító robotkaron Könnyő 6 MV-os röntgen- linac robotkarra szerelve Kezelés alatti átvilágítással ellenırzik a sérülés helyét és a kezelés folyamatát Pontos célzás Sokmezıs besugárz rzás Több részletben végezhetı Kis térfogatú tumorok kezelésére ( Agy, fej-nyak nyak, tüdı, hátgerinc, lágyék, ágyék) Intra Operative Radiation Therapy (IORT) 2 X ray beams Csinálhatjuk még jobban? 9 X ray beams (IMRT) Elektronbesugárz rzás operáci ció alatt Elektronenergia: : 3 9 MeV Dózisterhelés: : 6 30 Gy/min Besugárz rzási idı (21 Gy): min 43 A részecskefizikuskus kérdése: Van-e jobb módszer a beteg szövet besugárz rzásárara és az egészs szséges kímélésére? Válasz : Igen,, a töltötttt hadronnyaláb! 44 11

12 Fizikai alapkutatás: részecskék azonosítása sa L3 at LEP Vissza a fizikához... Leadott energia: : Bragg-cs csúcs Orvosi alkalmazás rákkezelés hadronokkal Protonok 200 MeV 1 na Szénionok 4800 MeV 0.1 na Hadronnyaláb anyagban lassul A hadronterápia alapelve 27 cm Tumor target 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? Röntgen- és hadronnyaláb Dóziseloszlás: aktív söpörtetés Röntgen Proton vagy szénion Longitudinális sík patient Transzverz verzális sík fast slow nyaláb horizontal scanning vertical scanning beam tumour volume energy variation Új technika, jórészt a GSI-ben és PSI-ben fejlesztve

13 Protonterápiás állvány Potenciális betegek száma 10 millió lakosra Study by AIRO, 2003 Italian Association for Oncological Radiotharapy 10 M lakosra Röntgenterápia: : 20' beteg/év Protonterápia pia: Röntgenkezeltek 12%-a a = 2400 beteg/év Szénion nion-kezelés radio-rezisztens rezisztens tumorra: Röntgenkezeltek 3%-a a = 600 beteg/év TOTÁL cca beteg/év 50 M lakosra Protonterápia pia: : 4-54 centrum Szénion nion-terápia: : 1 centrum The Loma Linda University Medical Center (USA) Japán: : 4 proton- és 2 szénion-terápiás centrum Az elsı kórházi proton- terápi piás centrum,, ban épült napi ~160 kezelés ~1000 beteg/év 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 51 proton linac 29 m 50 szénionos beteg HEAVY ION MEDICAL ACCELERATOR HIMAC of NIRS (1995) He and C ( 430 MeV/u) 2 synchrotrons 2 h beams + 2 v beams SHIZUOKA FACILITY Shizuoka (2002) Proton synchrotron 2 gantries + 1 h beam 2000 szénionos beteg 52 13

14 ACCEL SC ciklotron PROSCAN (PSI) Villingen (Svájc) Kisérlet OPTIS Protonterápia Krakkóban (Lengyelország) állvány PROTEUS ciklotron 2. állvány SC 250 MeV proton-ciklotron Új protonos állvány 1. állvány 53 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 54 Szénion-terápia Európában PET on-beam 1998: kísérleti projekt (GSI, G. Kraft) 200 beteg kezelése szénionnal Szimuláció PET on-beam 55 A beteggel közölt valódi dózis mérése radioaktív 11 C ion- nyalábbal (PET) Mérés 56 14

15 Heidelbergi Ionnyaláb-terápiai Központ Heidelbergi Egyetem kórh k rházában Ünnep nnepélyes megnyitás: 2009 nov. 2 Hadronterápia gyors neutronokkal Berkeley, 1938 Terv: 1300 páciens p / év Szinkrotron: proton, szén-,, héliumh lium- és s oxigénion 57 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)] 58 Boron Neutron Capture Therapy (BNCT) Nehézs zség: Nehéz z elérni szelektív lokalizáci ciót t a tumorban! 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 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 részecske- és gyorsítófizika nemcsak szép, hasznos is

16 Köszönöm a megtisztelı figyelmet! 61 16