Christian Søndergaard, Hospitalsfysiker

Transkript

1 Christian Søndergaard, Hospitalsfysiker!"#$%%!&' %% (&) )* "+,, " -# 1

2 Nuklear medicin Diagnostik (og terapi) baseret på radionuklider. Et passende radiofarmakon indgives i patienten. Udsendt gamma-stråling detekteres og et billed dannes. Optaget af radiofarmakonet afhænger lokal fysiologisk process. Gammakamera planbillede. 99m Tc SPECT Single photon emission computed tomography 3D tomografisk rekonstruktion 2

3 Tc-99m planar knoglescan Tc-99m Technetium-99m ( 99m Tc) benyttes til 80% af alle nuklear medicinske billedtagninger. kommer fra henfaldet af 99 Mo fremstillet i kernereaktoranlæg 99 Mo 99m Tc + e - + e T 1/2 ( 99 Mo) = 66 timer Technetium-99m henfalder ved udsendelse af gammafoton 99m Tc 99m Tc + E = 140 kev T 1/2 ( 99m Tc) = 6 timer 85% af det europæiske og nordamerikanske forbrug af ( 99m Tc) leveres af blot to reaktorer. Technetium indgår ikke i naturligt forekommende stoffer i kroppen 3

4 Mangel på Mo-99/Tc-99m Problem: Mo-99 produceres i få aldrende reaktoranlæg forsyningsproblemer. Løsningsforslag: n 235 U 99 Mo Reaktor opgradering/nybyg Nyt acceleratorkoncept (til frembringelse af intens fotonstråle) + potentielt billigere (reaktor/10) + mere sikre materialer (ikke beriget uran) - laver produktionsrate (reaktor/100) 238 U 99 Mo PET (positron emissions tomografi) fra Tc-99m udsendes én enkelt foton Positron-emitterende isotoper resulterer i to opponerende fotoner Bedre opløsningsevne (mm mod cm) Eks. på positron-emitterende isotoper kan erstatte naturligt forekommende stabile atomer Radionuklider til PET er kortlivede og skal produceres on site (inklusiv radiokemien) på hosptialet. 4

5 PET/CT scan Cyklotroner til fremstilling af radionuklider til PET Radionuklider til PET fremstilles ved at bombardere et target (væske) med et intens beam af protoner (deutroner) frembragt en cyklotron. Energi typisk MeV Ernest O. Lawrence (1934); U.S. Patent Moderne cykolotroner til produktion af PET sporstoffer er kompakte self shieldede installationer. Siemens Eclipse HP cyclotron (11 MeV) 5

6 ! " #! $%" %" "# "". "".." kan i princippet udgå fra alle slags celler og dermed alle slags organer. ubehandlet fører sygdommen som regel til individets død. ~ 10 m Celler er kroppens fundamentale byggesten. Forskellige typer celler indgår i forskelligt væv som indgår i de forskellige organer. Celler er ikke en statiske, men undergår konstant forandring. Cellens omdrejningspunkt er DNA-molekylet som er indeholdt i cellekernen. &'! Hvis der opstår fejl i en celle, f.eks. i forbindelse med en celledeling, vil mekanismer i cellen søger for at fejlen repareres eller at cellen dør, apoteose. Disse mekanismer fungerer ikke tilstrækkeligt i forbindelse med kræft. 6

7 %"! (! % Fjernelse af tumor. % Behandling med medicin (cytostatika). Systemisk behandling -# Behandling med ioniserende stråler. Lokal behandling. Ofte anvendes flere behandlingsformer /*%0" -# # 1# 4 #." 1 #- ". -#.#-".. -# - $%%$ &*'&*) $%%2- $'*%%% 1913 Radiumstation etableres i København. I dag udføres strålebehandling på 6 centre ved de onkologiske afdelinger på: Rigshospitalet Amtssygehuset i Herlev Odense Universitetshospital Vejle Sygehus Århus Sygehus Ålborg Sygehus Satellitter - Næstved (2. januar 2008) - Herning (4. maj 2009) ) * $%%'+') $%%2+)3#. %" +, &&'* # 5 &!)' /--+" + 32,802 antal nye tilfælde. 215,767 personer levede med en kræftdiagnose. = 4.0% af befolkningen Hyppighed (mænd): Stigning i antal kræfttilfælde observeret "#.81 1 " ( # 4. 92*-+')0 7

8 ! Strålingen forårsager direkte eller indirekte skadesvirkning på DNA-molekylet Cellen indeholder mest vand (70%) H 2 O + energi H 2 O + + e - H 2 O + + H 2 O H 3 O + + HO Virkning afhænger af strålingstypen: Røntgen (lav LET): Indirekte virkning dominerer. Tunge partikler (høj LET): Direkte virkning dominerer. Forøget chance for double strand breaks på DNA som cellen ikke kan reparere. e - + H 2 O H 2 O - OH - + H De frie radikaler er meget kemisk reaktive og kan skade DNA. O 2 reagerer nemt med DNA radikal hvilket mindsker mulighed for reparation. hypoxiske celler (f.eks. i center af tumor) er mindre strålefølsomme.! ""! 2 Kendskab til grundlæggende fysik vekselvirkning mellem stråling og stof og anvendt fysik frembringelse af stråling er en væsentlig kundskab inden for strålebehandling. Derfor er der så mange hospitalsfysikere :-) 8

9 Opsamling (vekselvirkning stråling og stof) Ladede partikler Neutrale partikler kontinuert Coulomb vekselvirkning. Tunge ladede partikler enkeltstående direkte vekselvirkninger Neutroner Hurtige elektroner Fotoner! 9

10 !3 4 5 Røntgenstråling +., Nobelpris (fysik) +.,8/ 1-# mindre end 2 måneder efter opdagelsen af rønt genstrålingen! +, :(:".( Radioaktivitet +., ,. " " 1903 Nobelpris (fysik) til M. og P. Curie og H. Bequerel 1911 Nobelpris (kemi) til M. Curie. +,-+ 11 ""(# " Forbrænding pga. radium opdaget ved uagtsom omgang med stoffet (Bequerel) Radiumstation etableres i København. Intermezzo '' #3+,+74!'' (;"1 ( " <" #=>#? 9 A.". " " A ( "" " " >1 - "" % dosis 50 kv 100 kv 300 kv 10 cm dybde 10

11 !3 4 5 Røntgenstråling +,/-; $%%(*%%; +,<-56-; Diagnostik + dosisplanlægning Radioaktivitet +,6-; /(3%" 1""#.18 "" # ( +,8-; /(&'2 C(&!$"; #:( :.# +,:-; /"( #. Forbedret dosisplanlægningen. /B(!! Forbedret diagnostik og dosisplanlægning Nobelpris (medicin eller fysiologi) til Allan Cormack og Godfrey Hounsfield. MRI (Magnetic Resonance Imaging) Forbedret diagnostik og dosisplanlægning. Intermezzo %! #58-@.#D (-&&2;&'' ;". ( -*$2- - Væsentlig billigere end radium. - Væsentlig højre aktivitet end radium. "/(3%"-#..&!*%:/ " #" 18 ;1 1 D" >#1 " #. 11

12 1 "3 4= Linære acceleratorer til strålebehandling udgør en stor del af verdens acceleratorer! Reelt tre leverandører til radioterapi Hammersmith Hospital, London; første linac behandling Stanford (USA) behandling af dreng med retinoblastom Varian s første fuldt isocentriske linac. Thwaits & Tuohy, Back to the future: the history and development of the clinical linear accelerator, Phys. Med. Biol. 51 (2006) R

13 1 5 >90 +3?&*; A+3F&%&$&*&F; "+)%G)%" $ A- / #18"" 7 "" ( 1 - "# <A" " "1-6 A 1 " 8 A"""- - " : A #.. 4" 8.. -,+-A " # ++ A.. 4/ 13

14 1 1 14

15 1 1 15

16 1 3 4 Diode Triode 16

17 3 4&? Magnetron Klystron Magnetronen frembringer højfrekvens RF signal. - Udviklet (1940) af Randall og Boot i UK. Udvikling af magnetronen og klystronen til radarbrug var en væsentlig teknologisk indsats under 2. verdenskrig. f 3 GHz 10 cm Klystronen forstærker et højfrekvens RF signal frembragt af en RF driver. - Opfundet ( ) af Varian brødrene på Standford University. Varian grundlagt i )? Traveling wave Elekta Standing wave (side-coupled cavities) Varian Siemens 17

18 3 34A 18

19 3 4 A! target bending magnet Flattening filters Monitor chamber Jaws 120 leaf MLC 3 4 A! 19

20 3 4 A! C" Redundant system med to ionisationskamre bestemmer den afgivne mængde stråling. D 3 4 A! 4/Multileaf collimator Før MLC støbte afdækninger; individuelle for hver patient og feltretning. 20

21 A MV kilde Verifikation af patientens position relativt til behandlingsapparatet. kv kilde kv billedplade Verifikation af feltform og dosimetri. MV billedplade A ( Cone beam CT Cone beam CT Konventionel CT scan 21

22 Intermezzo MV A kv Hvorfor forskellen i kontrast? #.. A 22

23 C. >! Stråling fra en accelerator (strålekilde): 1. Primær stråling fra target (behandlingsfelterne) 2. Spredt stråling (fra patient, vægge) 3. Lækstråling (fra accelerator) Linac: Høj energi fotoner og neutroner 23

24 A Fotoner skærmes med tykke betonvægge (eller tungere materialer) Neutroner udgør et særligt problem: spredes elastisk og kan nå ud af mazen. Modereres og stoppes med lette materialer; men neutron capture gamma stråling Neutrondør (bor-holdig polyethylen + bly) )" En kombination af:? DK: Dosisgrænse bag afskærmning: 1 msv/år (0.3 msv/år diagnostisk anlæg) Faktorer: Workload, Brugsfaktor, Opholdsfaktor, Afstand 24

25 !! A '! &('!# H &*". I"J# #8 % 2 *%%%# - " ( D -# '2" (6 -. ( I &" ( # &*" ( 6 &" B K&*" 6 K$%" " (&2L 1 KF" 0 '! "2 -.#8.. -# 1 6 1)F$*8&!!! 25

26 ! Fiksering CT-scanning Radiolog/Læge MR-scanning Dosisplanlægning PET-scanning Strålebehandling 1-39x 0 " Mål Maksimere dosis til tumor og minimer dosis til raskt væv (risikoorganer) Dårlig løsning Bedre løsning OAR PTV OAR PTV dosis dybde Dosis beregnes på computer med dosisplanlægningssystem (TPS, treatment planning system). Ikke trivielt. 26

27 > *9 5 Prostata Femur ( 6 " ( 4- # Rectum Blære > *

28 0 " Intensitetsmoduleret strålebehandling (IMRT) Intensity Modulated Radiation Therapy ".+ M " M #:" : (.4/ (# " Rapid Arc, VMAT rotations IMRT ""1 "...C@B (" # " >*95C IMRT 28

29 >*95 ) Rotations IMRT! 29

30 D E#"( -# " D B" 1.. "..- /B( ""-... " #"/B( "# MR CT D E#"( -# " D N # "# /B( # O B" " " ".8# 1# /B(.8 >#;;. EC3E 4 B"#. " # -# 30

31 1 (C C M >"4"- "/B( M #- "1"- 8 M ># $%%$ M N "/B( M N#"-- C@B- 1 (#!% 31

32 ! F D N &$ / 3= IO A#C3A#C4 M "# &% 6" B"#-" M 18 ( 4(." A." A"C. G G! G! P6.18 ( #- P1 1- "2=#" #- N. NAB Rundvisning (kl ) PET centret Strålebehandlingen 32

33 G+ -# C-. Ioniserende stråling har helsefysiske konsekvenser fra umiddelbar død til kræft på lang sigt. Stråling fra omgivelserne Menneskeskabt stråling medicinske undersøgelser diagnostik terapi industriel anvendelse sterilisering gennemlysning forskning acceleratorer radioaktive materialer Ioniserende stråling er godt! men brugen skal godtgøres/reguleres strålebeskyttelse 33

34 @# Strålingen forårsager direkte eller indirekte skadesvirkning på DNA-molekylet Cellen indeholder mest vand (70%) H 2 O + energi H 2 O + + e - H 2 O + + H 2 O H 3 O + + HO Virkning afhænger af strålingstypen: Røntgen (lav LET): Indirekte virkning dominerer. Tunge partikler (høj LET): Direkte virkning dominerer. Forøget chance for double strand breaks på DNA som cellen ikke kan reparere. e - + H 2 O H 2 O - OH - + H De frie radikaler er meget kemisk reaktive og kan skade DNA. O 2 reagerer nemt med DNA radikal hvilket mindsker mulighed for reparation. hypoxiske celler (f.eks. i center af tumor) er mindre strålefølsomme E4 "! $ %* C #.# > & )* &% &%% - ". " 4*%L'%. 1 '% 1-1 $)()F" Kurativ strålebehandling: Gy inden for et lille område af kroppen! D.. #.#" 1 # 34

35 A" -# C ) )" - #"" - - " " ## C -.. ""- #.. 1+ ## ##+ [D] = J/kg = Gy (gray) + NB: Absolut måling af absorberet dosis er en (ikke triviel) disciplin for sig. 35

36 Afsat dosis versus dæmpning af røntgen Absorberet dosis er ikke det samme som mængden af den indkommende stråling. Q.. O -.. " 6 - ### -. w R Q..+ [H] = J/kg = Sv (sievert) 36

37 A. O -.. ".. ;.. w T A.A+ [E] = J/kg = Sv (sievert) - "81 Naturlig strålingsmiljø kosmisk stråling, naturligt forekommende radionukleider Medicinsk bestråling diagnostik, terapi Erhvervsmæssig bestråling Gennemsnitlig årlig effektiv dosis til hver dansker ca. 4 msv. 37

38 Anbefalinger, love, * DI/A@*) +,,,& I/@N) RDS <'( CA/% CA%& & International Basic Safety Standards for Protection against Ionizing Radiation and for the Safety of Radiation Sources (BSS) C+ %,+$ " O C.#1 (.... ". "-..- C1. 1. " " ""#"" " #. 1 - ".. "##. 6# Dosisgrænser 38

39 Hvis du vil vide mere Bibliografien i kaptiel 16 i IAEA Radiation oncology physics (2005) har mange henvisninger til forordninger, anbefalinger, i forbindelse med strålebeskyttelse og faciliteter til strålebehandling. Kursus i helsefysik (Risø-R-677, 3. udg. 2001). Basic Clinical Radiobiology, Joiner & Van der Kogel (2009) J-C. Nénot, Radiation accidents over the last 60 years, J. Radiol. Prot. 29 (2009) B. Lindell, The history of radiation protection, Radiation Protection Dosimetry 68 (1996) Afskærmning af røntgenanlæg, 2009, Statens Institut for Strålebeskyttelse (28. august 2009). Sundhedsstyrelsens bekendtgørelse nr. 48 af 25. januar 1999 om elektronacceleratorer til patientbehandling med energier fra 1 MeV til og med 50 MeV med ændring i bekendtgørelse nr. 753 af 25. juni Sundhedsstyrelsens bekendtgørelse nr. 823 af 31. oktober 1997 om dosisgrænser ioniserende stråling. 39