A CERN és a gyógyítás Dr. Sükösd Csaba BME Nukleáris Technikai Intézet

Hasonló dokumentumok
A CERN és a gyógyítás. Ujvári Balázs Gamma Sugársebészeti Központ Debrecen ( )

Fizika a gyógyítás szolgálatában

Fizika a gyógyítás szolgálatában

A részecskefizika orvosi alkalmazásai

A részecskefizika orvosi alkalmazásai

A fizika egészségünk szolgálatában

4. A nukleá ris mediciná fizikái álápjái

Megmérjük a láthatatlant

A részecskefizika kísérleti eszközei

Röntgendiagnosztikai alapok

Dr. Fröhlich Georgina

Sugárterápia. Ionizáló sugárzások elnyelődésének következményei

Részecskefizikai gyorsítók

Terápiás ablak. Ionizáló sugárzás. Sugárterápia. Röntgen sugárzás. Radioaktív izotópok

Sugárterápia. Ionizáló sugárzások elnyelődésének következményei. Konzultáció: minden hétfőn 15 órakor. 1. Fizikai történések

A Nukleáris Medicina alapjai

Részecskegyorsítók. Barna Dániel. University of Tokyo Wigner Fizikai Kutatóközpont

Gamma-kamera SPECT PET

Izotópos méréstechnika, alkalmazási lehetőségek

Gamma sugárzás. Gamma-kamera SPECT PET. Tömeg-energia ekvivalencia. Nukleáris medicína. γ-sugárzás előállítása. γ-sugárzás kölcsönhatása az anyaggal

Gyorsítók. Veszprémi Viktor ATOMKI, Debrecen. Supported by NKTH and OTKA (H07-C 74281) augusztus 17 Hungarian Teacher Program, CERN 1

Speciális teleterápiás technikák

Részecskegyorsítók a hétköznapokban: ipari alkalmazások kezdőknek és haladóknak. Simonyi 100 nyitóelőadás

Nehézion-ütköztetők, részecskegyorsítók

Országos Onkológiai Intézet, Sugárterápiás Centrum 2. Országos Onkológiai Intézet, Nukleáris Medicina Osztály 4

Biofizika és orvostechnika alapjai

Gamma-kamera SPECT PET

Az ionizáló sugárzások fajtái, forrásai

FIZIKA. Radioaktív sugárzás

-A radioaktivitás a nem stabil (úgynevezett radioaktív) atommagok bomlásának folyamata. -Nagyenergiájú ionizáló sugárzást kelt Az elnevezés: - radio

Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal

RÉSZECSKEGYORSÍTÓ CERN. Készítette: Laboda Lilla, Pokorny Orsolya, Vajda Bettina

Indul az LHC: a kísérletek

Theory hungarian (Hungary)

Deme Sándor MTA EK. 40. Sugárvédelmi Továbbképző Tanfolyam Hajdúszoboszló, április

A CERN, az LHC és a vadászat a Higgs bozon után. Genf

Eötvös Loránd Fizikai Társulat Európai Nukleáris Kutatás Szervezete 1. ELŐADÁSOK Horváth Dezső professzor úr Sükösd Csaba professzor úr Mick Storr

2. tétel - Gyorsítók és nyalábok (x target, ütköz nyalábok, e, p, nyalábok).

Radioaktivitás biológiai hatása

Bemutatkozik a CERN Fodor Zoltán

MATROSHKA kísérletek a Nemzetközi Űrállomáson. Kató Zoltán, Pálfalvi József

Nehézion ütközések az európai Szupergyorsítóban

Sükösd Csaba egyetemi docens, és Jarosievitz Beáta főiskolai tanár

Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal

Atomfizika. Az atommag szerkezete. Radioaktivitás Biofizika, Nyitrai Miklós

Sugárvédelem kurzus fogorvostanhallgatók számra. Töltött részecskék elnyelődése. Sugárzások és anyag kölcsönhatása. A sugárzások elnyelődése

Milyen eszközökkel figyelhetők meg a világ legkisebb alkotórészei?

Izotópok. Izotópok. diagnosztikai alkalmazásai. diagnosztikai alkalmazásai. Képalkotó eljárásokkal nyerhető információ

Az atommag összetétele, radioaktivitás

FIZIKA. Atommag fizika

Ionizáló sugárzások dozimetriája

Az atombomba története

Magsugárzások, Radioaktív izotópok. Az atom alkotórészei. Az atom felépítése. A radioaktivitás : energia kibocsátása

II./3.4. fejezet: Daganatos betegségek sugárkezelésének alapelvei

Minőségbiztosítás a sugárterápiában

Sugárfizikai és sugárvédelmi ismeretek. SZTE Nukleáris Medicina Intézet

Teleterápia Dr. Fröhlich Georgina

Röntgensugárzás. Röntgensugárzás

STABIL IZOTÓPOK FELHASZNÁLÁSA

Bővített fokozatú SUGÁRVÉDELMI TANFOLYAM

Hadronok, atommagok, kvarkok

Adatgyőjtés, mérési alapok, a környezetgazdálkodás fontosabb mőszerei

Adatgyűjtés, mérési alapok, a környezetgazdálkodás fontosabb műszerei

Bevezetés a részecskefizikába

Radioaktív izotópok a testünkben A prosztata belső sugárkezelése

Izotópok. diagnosztikai alkalmazásai 2. Az izotóp kiválasztásának szempontjai. hf > 50 kev. α β γ. Maximáljuk a nyerhető információt.

Pozitron emittáló izotópok. [18F]FDG előállítása. Általunk használt izotópok. Magreakció: Dual Beam 18F. Felezési idő (min) 109,7

KLINIKAI SUGÁRFIZIKA

Képrekonstrukció 5. előadás

Innovatív gáztöltésű részecskedetektorok

Gyorsítók. Veszprémi Viktor ATOMKI, Debrecen. Supported by OTKA MB augusztus 16. Hungarian Teacher Program, CERN 1

A nagy hadron-ütköztető (LHC) és kísérletei

Adatgyőjtés, mérési alapok, a környezetgazdálkodás fontosabb mőszerei

Sugárterápia minőségbiztosításának alapelvei Dr. Szabó Imre (DE OEC Onkológiai Intézet)

PET Pozitronemissziós tomográfia

Bari Ferenc egyetemi tanár

Röntgen-gamma spektrometria

Radioaktív nyomjelzés analitikai kémiai alkalmazásai

Gyorsítók. Veszprémi Viktor Wigner Fizikai Kutatóközpont OTKA NK augusztus 12. Hungarian Teacher Program, CERN 1

Az ionizáló sugárzások előállítása és alkalmazása

Tantárgy neve. Környezetfizika. Meghirdetés féléve 6 Kreditpont 2 Összóraszám (elm+gyak) 2+0

Izotópok. diagnosztikai alkalmazásai. Képalkotó eljárásokkal nyerhető információ. Izotópdiagnosztikai eljárás lépései

Mikrofizika egy óriási gyorsítón: a Nagy Hadron-ütköztető

Az ionizáló sugárzások előállítása és alkalmazása

Szinkrotronspektroszkópiák május 14.

Nemzeti Népegészségügyi Központ Sugárbiológiai és Sugáregészségügyi Főosztály

Röntgensugárzás az orvostudományban. Röntgen kép és Komputer tomográf (CT)

CERN: a szubatomi részecskék kutatásának európai központja

JÁTSSZUNK RÉSZECSKEFIZIKÁT!

Nagy érzékenységű AMS módszerek hosszú felezési idejű könnyű radioizotópok elemzésében

Gamma-röntgen spektrométer és eljárás kifejlesztése anyagok elemi összetétele és izotópszelektív radioaktivitása egyidejű elemzésére

Szövetközi besugárzások - Emlőtűzdelések

A terhelés megoszlása a források között. A becsült átlagos évi dózis természetes és mesterséges forrásokból 3.6 msv.

Bemutatkozik a CERN. Fodor Zoltán HTP2015, Fodor Zoltán: Bemutatkozik a CERN

A nukleáris fizika története, a nukleáris energetika születése

Röntgendiagnosztika és CT

Radioaktív sugárzások az orvosi gyakorlatban. Az ionizáló sugárzások biológiai hatása. A sugárhatás osztályozása. A sugárhatás osztályozása

AZ IZOTÓPOK KÍSÉRLETES ÉS ORVOSI ALKALMAZÁSAI. RÉSZECSKE GYORSÍTÓK, GAMMA KAMERA

A testek részecskéinek szerkezete

Orvosi aktivitásmérők kalibrációinak tapasztalatai

Átírás:

A CERN és a gyógyítás Dr. Sükösd Csaba BME Nukleáris Technikai Intézet 1

Tartalom Hogy kerül a csizma az asztalra? Történeti bevezető Orvosi diagnosztika Sugárterápia Hadron-terápia Jövőkép 2

Hogy kerül a csizma az asztalra? Gyakran hallott vélekedés: A CERN a fizikusok játszótere, az adófizetők pénzén a kutatói kíváncsiság kielégítésére szolgál, egyéb haszna nincs (Tény: minden magyar lakosra évente egy kávé ára jut a CERN tagdíjunkból) Mi köze lehet a CERN-nek a gyógyításhoz? Válaszhoz: nézzük meg, hogy melyek a legfontosabb eszközök a CERN-ben! 3

LHC GY OR SÍTÓ CMS,ATLAS WWW,GRID DETEKTT OR SZÁM ÍTÓ GÉP S. Van der Meer (1984) gyorsító fejlesztés G. Charpak (1992) sokszálas detektor Sir Tim Berners Lee világháló Számítógép (robot vezérlés, képalkotás) Detektor Gyorsító Számítógép (robot vezérlés) Detektor 4

Három alapvető eszköz: Részecskegyorsítók Részecskedetektorok Számítógépek Hatalmas előrelépés nekik köszönhetően... a fizikában és M. S. Livingston és E. Lawrence a 25-coll átmérőjű ciklotronnal Orvosi diagnosztikában Sugárzásos rákkezelésben Fermi Geiger-Müller számlálója Rómában 5

1930: a ciklotron létrehozása Felgyorsított atommag spirális pályája Ernest Lawrence (1901 1958) Modern ciklotron Másolat látható a CERN Microcosm kiállításán 6

A Lawrence-fivérek John Lawrence, Ernest fivére, orvos volt Mindketten Berkeley-ben dolgoztak Mesterséges izotóp első alkalmazása orvosi diagnosztikában A nukleáris medicina kezdete John H. Lawrence használt először mesterségesen előállított radioaktív 32 P-t a leukémia terápiájában (1936) Az interdiszciplináris környezet segíti az innovációt! 7

Rádiófrekvenciás lineáris gyorsító protonok és ionok gyorsítására Lineáris gyorsító (linac) λ= 1.5 m 200 MHz 100 MeV-es linac a CERN Mikrokozmoszkiállításán L. Alvarez 1946 Driftcsöves linac 8

A lineáris elektron-gyorsító Sigurd Varian William W. Hansen Russell Varian 1939: A klisztron feltalálása ~ 1 m A kórházak hagyományos sugárterápiája ma is elektronlinacot használ 1947 első elektron-linac 4.5 MeV and 3 GHz 9

A világ működő gyorsítói GYORSÍTÓTÍPUS Nagyenergiás (E >1GeV) Szinkrotron sugárzó Radioizotópok készítése orvosi célra Sugárterápiás gyorsító Kutatógyorsítók orvosi kutatásokra Ipari alkalmazású gyorsítók Ion implanterek, felületkezelésre szolgálók ÖSSZESEN HASZNÁLATBAN (*) ~120 >100 ~200 > 7500 ~1000 ~1500 >7000 > 17500 9000 (*) W. Maciszewski and W. Scharf: Int. J. of Radiation Oncology, 2004 A fele orvosi alkalmazásokat szolgál 10

Részecskedetektorok A részecskefizikusok "szeme" Megdöbbentő fejlődés az utóbbi néhány évtizedben Geiger -Müller számláló ATLAS és CMS! Létfontosságú sok orvosi alkalmazásban 11

Példa: sokszálas proporcionális számláló Georges Charpak (1924-2010), CERN-i fizikus 1959 óta, Nobel-díj: 1992 Elkészült 1968-ban Elindította a tisztán elektronikus részecske-észlelést A biológiai kutatások is alkalmazzák az elvet (pixel-detektorok) A megnövekedett adatrögzítési sebesség gyorsabb képalkotást (azaz kisebb sugárterhelést) és gyorsabb diagnosztikát jelent. 12

Orvosi diagnosztikai alkalmazások 13

A diagnosztika lényeges! Computer Tomography (CT) Detektor-sor Röntgen-cső körbe forog Az elektronsűrűség mérése Morfológiai (alaktan) információ 3D-ben! 14

Mágneses atommagrezonancia (NMR) 1938-1945: Felix Bloch és 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 első főigazgatója 15

Az MRI-szkenner SZÁMÍTÓGÉPEK! Például: koponya rétegfelvételek Számítógépes kép- és adatfeldolgozás! 16

SPECT = Single Photon Emission Computer Tomography Detektor, Működése: Számítógép a testbe gamma-bomló radioaktív izotópot visznek be, bizonyos vegyülethez kötve. ahol a vegyület feldúsul, onnan indulnak ki a gamma-sugarak. A testből kijövő gamma-sugarakkal alkotunk képet A radioaktív izotópot tartalmazó molekulák eloszlásának (sűrűségének) mérése Morfológia és/vagy anyagcsere (metabolizmus) információ Sztatikus Dinamikus 17

SPECT A gamma-sugarakkal való képalkotáshoz nincsenek lencsék, ezért speciális kollimátorokat használnak Detektor 18

SPECT scanner A nukleáris orvosi vizsgálatok 85%-a a reaktorok lassú neutronjaival előállított technéciumot használja máj tüdő csont Scanner: A detektorfej forog Ólom kollimátorok a 0.14 MeV-es gammák terelésére Detektor, Számítógép 0.14 MeV gammák 19

Pozitron-Emissziós Tomográfia (PET) 18 F-al jelzett FDG a leggyakoribb anyag (felezési idő 110 perc) A 18 F eloszlásának mérése 180- fokban kibocsátott fotonokkal Protonok ~15 MeV, ~50 µa Információ: metabolizmus Gamma -detektorok (Pl. BGO kristályok) PET-tomográf PET-kép Ciklotron Gyorsító Detektor Számítógép 20

Metabolizmus-mérés PET-tel A drogfüggő agya passzívabb 21

Új diagnosztika: CT/PET morfológia metabolizmus David Townsend CERN: 1970-78 és Ronald Nutt (CTS CTI) 22

Alkalmazás sugárzásos rákkezelésben (sugárterápia) 23

Módszerek Brachyterápia: Sugárforrás elhelyezése a testben Radio-immunoterápia: Az izotópot szelektív anyag hordozza Teleterápia: Tumor bombázása külső forrású sugárzással Prosztata brachyterápiája Radioaktív tűk bevitel előtt Katéter a hólyagban A tűk bejuttatása a prosztatába 70...150 tű bevitele Ultrahangfej a végbélben a tűk pozíciójának ellenőrzésére Pozicionáló rács a tűk megfelelő helyre juttatásához 24

Radioaktivitás a rák kezelésében Célzott radio-immunoterápia α részecskék Bizmut-213-ból leukémiára β részecskék Yttrium-90-ből glioblastomára (agytumor-fajta) Teleterápia γ-sugárzás Cobalt-60-ból mély tumorra Cobalt-60 (~1 MeV-es gammák) 60 Co előállítása: atomreaktorban lassú neutronokkal 25

Teleterápia röntgensugárral e - + target X Elektron-linac 3 GHz target 6-20 MeV [1000 x Röntgen] Elektron-linac kelt röntgen-sugárzást 20'000 páciens/év/10 millió lakos Gyorsító 26

Elektron-linac orvosi célra 27

A röntgen- és γ-terápia problémája Photons Protons Röntgennyaláb Célterület Dózisszint Az ép sejteket is roncsolja Nem szelektív 28

A röntgen- és γ-terápia problémája Megoldás: Sok keresztezett nyaláb Intensity Modulation Radiation Therapy (IMRT) Az egészséges szövetbe vitt dózis limitál! Főleg a közeli szervek veszélyben (OAR: Organs At Risk) 9 különböző fotonnyaláb 29

Intenzitás-modulált sugárterápia (IMRT) 3-fields IMRT Prescription Dose OR PTV Konkáv dózistérfogat is elérhető Többrétegű kollimátor, amely mozog besugárzás alatt Időigényes (bizonyos esetekben használják) 30

Lineáris gyorsító + röntgen-ct 31

A kiber-kés Könnyű 6 MV-os röntgenlinac 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) 32

Cyberknife: lineáris gyorsító robotkaron Pontos célzás Sokmezős besugárzás Gyorsító Számítógép (robotika) 33

Intra Operative Radiation Therapy (IORT) Elektron besugárzás operáció alatt Elektronenergia: 3 9 MeV Dózisterhelés: 6 30 Gy/min Besugárzási idő (21 Gy): 0.7 3.5 min Gyorsító 34

Csinálhatjuk még jobban? 2 X ray beams 9 X ray beams (IMRT) A részecskefizikus kérdése: Van-e jobb módszer a beteg szövet besugárzására és az egészséges kímélésére? Válasz : Igen, a töltött hadronnyaláb! 35

Vissza a fizikához... Fizikai alapkutatás: részecskék azonosítása Leadott energia: Bragg-csúcs L3 at LEP Orvosi alkalmazás rákkezelés hadronokkal 36

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 Találós kérdés: miért éppen proton és szénion? 37

Dóziseloszlás: aktív söpörtetés Hosszanti irány Transzverzális irány paciens nyaláb lassú gyors függőleges söpörtetés vízszintes söpörtetés nyaláb tumor térfogat Energia változtatása Új technika, jórészt a GSI-ben és PSI-ben fejlesztve 38

Protonterápiás állvány 39

Potenciális betegek száma 10 millió lakosra 10 M lakosra Röntgenterápia: 20'000 beteg/év Protonterápia: Röntgenkezeltek 12%-a = 2400 beteg/év Szénion-kezelés radio-rezisztens tumorra: Röntgenkezeltek 3%-a = 600 beteg/év TOTÁL cca. 3000 beteg/év Study by AIRO, 2003 Italian Association for Oncological Radiotharapy 50 M lakosra Protonterápia: 4-5 centrum Szénion-terápia: 1 centrum 40

The Loma Linda University Medical Center (USA) Az első kórházi protonterápiás centrum, 1993- ban épült napi ~160 kezelés ~1000 beteg/év Dr. Sükösd Csaba XXXIV. Fizikusnapok Debrecen 2013.11.21 41

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 42

PROSCAN (PSI) Villingen (Svájc) ACCEL SC ciklotron Kísérlet OPTIS 2. állvány 1. állvány SC 250 MeV proton-ciklotron Új protonos állvány 43

Protonterápia Krakkóban (Lengyelország) PROTEUS ciklotron állvány Készen van 2011. március: Szem-radioterápia protonnyalábbal Közép- Kelet-Európában elsőnek Proton energia: 60 MeV Terv 2014 re: Komplex hadron (proton) terápiás központ felépítése (Eu támogatás) Proton energia: 60-230 MeV 44

Szénion-terápia Európában 1998: kísérleti projekt (GSI, G. Kraft) 200 beteg kezelése szénionnal PET on-beam 45

PET on-beam Szimuláció A beteggel közölt valódi dózis mérése radioaktív 11 C ionnyalábbal (PET) Mérés 46

Heidelbergi Ionnyaláb-terápiai Központ Heidelbergi Egyetem kórházában Ünnepélyes megnyitás: 2009 nov. 2 Terv: 1300 páciens / év Szinkrotron: proton, szén-, hélium- és oxigénion 47

Computers (GRID) A hatalmas mennyiségű adat feldolgozása mindig sürgette a számítástechnika fejlesztését a CERN mindig a számítástechnika élvonalában volt. 1989 World Wide Web Napjainkban LHC Grid Orvosi Adatok Hálózata Wigner Comp. Centre 48

Összefoglalás A fizika hatékony eszközöket kínál a többi tudománynak, az orvostudománynak is Betegségek vizsgálata és gyógyítása (diagnosztika és terápia) 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 részecske- és gyorsítófizika nemcsak szép, de hasznos is. A CERN-ben végzett fejlesztések beépülnek más alkalmazásokba, és így hatnak az életünkre 49

Köszönöm a megtisztelő figyelmet! 50