Fizika a gyógyítás szolgálatában Tartalom Törté rténeti bevezetı bevezet Dr. Sükösd Csaba 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 november: Rö Röntgensugá ntgensugárzá rzás Henri Becquerel (1852(1852-1908) 1896: Termé Természetes radioaktivitá dioaktivitás 1898: Rá Rádium Wilhelm Conrad Röntgen Marie Curie dolgozata 1904-ben: 1895 december: az elsı elsı átvilá tvilágítás Mintegy szá száz éve 3 α, β, γ mágneses térben Maria Skł Skłodowska Curie Pierre Curie (1859 1906) (1867 1934) 4
Elsı Elsı alkalmazá alkalmazások a rá rák kezelé kezelésében Hatalmas elı elırelé relépés... a fiziká fizikában és Orvosi diagnosztiká diagnosztikában Alapelv: A tumor helyi kezelé kezelése Sugá Sugárzá rzásos rá rákkezelé kkezelésben három alapvetı alapvetı eszkö eszköznek köszö szönhetı nhetıen: M. S. Livingston és E. Lawrence a 2525-inches ciklotronnal Részecskegyorsí szecskegyorsítók 1908: az elsı elsı kísérlet bı 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 lé létrehozá trehozása A LawrenceLawrence-fivérek Felgyorsí Felgyorsított atommag spirá spirális pá pályá lyája Ernest Lawrence (1901 1958) Modern ciklotron 7 John Lawrence, Ernest fivére, orvos volt Mindketten BerkeleyBerkeleyben dolgoztak Mestersé Mesterséges izotó izotóp elsı elsı alkalmazá alkalmazása orvosi diagnosztiká diagnosztikában A nukleá nukleáris medicina kezdete John Lawrence haszná ált haszn Az H. interdiszcipliná áris interdiszciplin elı örrnyezet mestersé égesen elı elıszö sz mesterssegí elıkö íti az seg 32 -t a állí llított radioaktí radioakt innová innováívció ciópt! leuké leukémia terá terápiá piájában (1936) Másolat lá látható tható a CERN Microcosm kiá kiállí llításán 6 8
Rádiofrekvenciá diofrekvenciás line lineáris gyorsí gyorsító protonok és ionok gyorsí gyorsítására A neutron felfedezé felfedezése 1932 (éppen 80 éve) Az atomokban elektronok keringenek Lineá Lineáris gyorsí gyorsító (linac) James Chadwick az atommag körül, (1891 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 9 L. Alvarez 1946 Driftcsö Driftcsöves linac 10 CERN: linaclinac-ok és erı erıs fó fókuszá kuszálású szinkrotronok A lineá lineáris elektronelektron-gyorsí gyorsító Sigurd Varian 100 MeVMeV-es linac a CERN MikrokozmoszMikrokozmoszkiá kiállí llításán Large Hadron Collider William W. Hansen 8.5 km (7+7) TeV Russell Varian 1939: A klisztron feltalá feltalálása A kó kórhá rházak hagyomá hagyományos sugá sugárterá rterápiá piája ma is elektronelektronlinacot haszná használ ~1m A PS 19591959-ben 1947 elsı elsı elektronelektron-linac 4.5 MeV and 3 GHz 11 1952: BNL (USA) erı erıs fó fókuszá kuszálási si módszere a CERN ProtonProtonSzinkrotroná Szinkrotronában (PS) 12
A világ g mőködım gyorsítói Részecskedetektorok 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 > 17500 9000 A részecskefizikusok r "szeme" Impresszív v fejlıdés s az utóbbi néhány n ny évtizedben Geiger -Müller száml mláló ATLAS és s CMS! Létfontosságú sok orvosi alkalmazásban (*) W. Maciszewski and W. Scharf: Int. J. of Radiation Oncology, 2004 A fele orvosi alkalmazásokat szolgál 13 14 Példa: sokszálas proporcionális száml mláló. Orvosdiagnosztikai alkalmazások Georges Charpak (1924-2010) 2010), CERN-i i fizikus 1959 óta, Nobel-díj: 1992 Elkész szült 1968-ban Elindította a tisztán n elektronikus részecsker szecske-észleléstst A biológiai kutatások is alkalmazzák Nemsokára helyettesítheti theti a radiobiolr diobiológiát. A megnövekedett adatrögz gzítési sebesség g gyorsabb képalkotást (azaz kisebb sugárterhel rterhelést) és gyorsabb diagnosztikát jelent. 15 16
A diagnosztika lényeges! l Computer Tomography (CT) Detektor-sor Mágneses atommagrezonancia (NMR) 1938-1945: 1945: Felix Bloch és s Edward Purcell kidolgozza az NMR-t Röntgen-csı Az elektronsőrőség g mérésem Morfológiai (alaktan) informáci ció körbe forog 17 (nemcsak protonokkal lehet!) Az atommagok két k t fontos tulajdonsága: 1 Perdület (protonokra h ) 2 Mágneses momentum 1954: Felix Bloch lett a CERN elsı fıigazgatója 18 Az MRI-szkenner SPECT = Single Photon Emission Computer Tomography Mőködése: a testbe gamma-boml bomló radioaktív izotópot visznek be, bizonyos vegyülethez kötve. k ahol a vegyület feldúsul, onnan indulnak ki a gamma-sugarak. A testbıl l kijövı gamma-sugarakkal alkotunk képetk Például: koponya rétegfelvr tegfelvételektelek A radioaktív v izotópot tartalmazó molekulák eloszlásának (sőrőségének) mérése Morfológia és/vagy metabolizmus informáci ció Sztatikus Dinamikus 19 20
SPECT Pozitron-Emisszi Emissziós s 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 A gamma-sugarakkal való képalkotáshoz nincsenek lencsék,, ezért speciális kollimá- torokat használnak 21 22 H 18 2 O vizet bombázunk protonnal 18 keltésére (p,n) reakció Hogyan mőködik? m 18 F Fluoro-Deoxy Deoxy-D-Glucose (FDG) szintézise zise Metabolizmus-mérés s PET-tel Glucose FDG FDG-t 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. A kokainfüggı agya passzívabb 23 24
Új j diagnosztika: : CT/PET morfológia metabolizmus David Townsend CERN: 1970-78 78 és Ronald Nutt (CTS CTI) Alkalmazás s sugárz rzásos rákkezelr kkezelésben (sugárter rterápia) 25 26 Radioaktív tők bevitel elıtt Módszerek Brachiterápia pia: : Sugárforr rforrás s elhelyezése a testben Radio-immunoter immunoterápia: : Az izotópot szelektív v vektor hordozza Teleterápia pia: : Tumor bombázása külsk lsı forrású sugárz rzással Radioaktivitás s a rák r k kezelésében célzott radio-immunoter immunoterápia α részecskék k Bizmut-213 213-ból leukémi miára β részecskék k Yttrium-90 90-bıl gamma Cobalt-60 60-ból teleterápia glioblastomára (agytumor-fajta) mély tumorra 70...150 tő t bevitele Cobalt-60 (~1 MeV-es es gammák) 60 Co elıáll llítása: atomreaktorban lassú neutronokkal 27 28
Teleterápia röntgensugr ntgensugárral Elektron-linac linac orvosi célrac 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 29 30 A röntgenterápia problémája A röntgenterr ntgenterápia 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 31 32
Intenzitás-modul modulált lt sugárter rterápia (IMRT) Lineáris gyorsító + röntgenr ntgen-ct 3-fields IMRT Prescription Dose OR PTV Konkáv v dózistd zistérfogat is elérhet rhetı Többrétegő kollimátor, amely mozog besugárz rzás s alatt Idıig igényes (bizonyos esetekben használj lják) 33 34 A kiber-kés Cyberknife: lineáris gyorsító robotkaron Könnyő 6 MV-os röntgenr ntgen- linac robotkarra szerelve Kezelés s alatti átvilágítással ellenırzik a sérülés s s helyét és a kezelés s folyamatát Pontos célzc lzás Sokmezıs besugárz rzás Több részletben r végezhetv gezhetı Kis térfogatt rfogatú tumorok kezelésére ( Agy, fej-nyak, tüdı,, hátgerinc, h lágyl gyék, ágyék) 35 36
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: s: 6 30 Gy/min Besugárz rzási idı (21 Gy): 0.7 3.5 min 37 A részecskefizr szecskefizikus kus kérdk rdése: Van-e e jobb módszer m a beteg szövet besugárz rzására ra és s az egészs szséges kímélésére? k Válasz : Igen, a töltt ltött tt hadronnyaláb! 38 Fizikai alapkutatás: részecskék k azonosítása sa L3 at LEP Vissza a fizikához... Leadott energia: Bragg-cs csúcs Orvosi alkalmazás rákkezelés s hadronokkal Protonok 200 MeV 1 na Szénionok 4800 MeV 0.1 na Hadronnyaláb anyagban lassul A hadronterápia alapelve 27 cm Tumor target Bragg-cs csúcs: cs: maximális energiavesztés s tumorban Jobb igazítás s a tumor alakjához ép p szövet kímélések Töltött tt hadronok jól j l terelhetık Nehéz z ionok biológiai hatása nagyobb Találós s kérd k rdés: miért éppen proton és s szénion? 39 40
Röntgen- és s hadronnyaláb Dóziseloszlás: s: aktív v söpörtets rtetés Röntgen Proton vagy szénion Longitudinális síks patient Transzverz verzális síks fast slow nyaláb horizontal scanning vertical scanning beam tumour volume energy variation Új j technika, jórészt j a GSI-ben és s PSI-ben fejlesztve 41 42 Protonterápi piás állvány Potenciális betegek száma 10 millió lakosra 10 M lakosra Röntgenterápia: : 20'000 000 beteg/év Study by AIRO, 2003 Italian Association for Oncological Radiotharapy Protonterápia: Röntgenkezeltek 12%-a a = 2400 beteg/év Szénion nion-kezelés s radio-rezisztens rezisztens tumorra: Röntgenkezeltek 3%-a a = 600 beteg/év TOTÁL L cca. 3000 beteg/év 50 M lakosra Protonterápia: 4-54 5 centrum Szénion nion-terápia: 1 centrum 43 44
The Loma Linda University Medical Center (USA) Japán: 4 proton- és s 2 szénion nion-terápiás s centrum Az elsı kórházi proton- terápi piás s centrum, 1993- 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 45 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 46 ACCEL SC ciklotron PROSCAN (PSI) Villingen (Svájc) Kisérlet OPTIS Protonterápia Krakkóban (Lengyelország) g) állvány PROTEUS ciklotron 2. állvány SC 250 MeV proton-ciklotron Új j protonos állvány 1. állvány 47 Készen van 2011. március: m Szem-radioter radioterápia protonnyalábbal Közép- Kelet-Eur Európában elsınek Proton energia: 60 MeV Terv 2014 re: Komplex hadron (proton) terápi piás központ felépítése (Eu támogatt mogatás) Proton energia: 60-230 MeV 48
1998: kísérleti k projekt (GSI, G. Kraft) 200 beteg kezelése szénionnal Szénion nion-terápia Európában Heidelbergi Ionnyaláb-ter terápiai KözpontK Heidelbergi Egyetem kórh k rházában Ünnep nnepélyes lyes megnyitás: s: 2009 nov. 2 Terv: 1300 páciens p / év Szinkrotron: proton, szén-,, héliumh lium- és s oxigénion PET on-beam 49 50 Hadronterápia gyors neutronokkal Neutron: semleges nincs Bragg-cs csúcs MeV-es es neutronok ciklotronnal (p + Be reaction) MeV-es es neutronokkal magreakció nagy helyi sugárterhel rterhelés Radio-rezisztens tumorokra (nyálmirigy, nyelv, agy) 9 központban k [pl. Orleans (F), Fermilab (USA)] Berkeley, 1938 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 n!) Olyan atommagot vinni a ráksejtbe, r amely neutronbefogásra töltt ltött tt fragmentumokra hasad és így sok lokális lis energiát t szabadít t fel. 10 B izotóp p a legjobb: Van bıvenb (természetes B 20%-a) 10 B(n,α) 7 Li + 2,31 MeV energia Fragmentumai gyorsan lefékez kezıdnek (egy sejten belül) l) Jól l ismert a bór b r kémik miája 51 52
Konklúzi zió A részecskefizika r hatékony eszközöket ket kínál k l a többi t tudománynak, az orvostudománynak is. Betegségek gek vizsgálata, diagnosztikája és s gyógy gyítása. A megfelelı fejlesztéshez shez fizikusnak és s orvosnak együtt kell dolgoznia. A hadronterápia nagyon gyorsan fejlıdik: Protonterápia népszern pszerő és s sokan csinálj lják Szénion nion-terápia: több t helyen elkezdték k vagy tervezik Neutronterápia, BNCT: kutatási fázisbanf A részecskefizika r nemcsak szép, hasznos is. Köszönöm m a megtisztelı figyelmet! 53 54