Partikelterapi. Fysiklærerdag 2008, IFA, Århus. Niels Bassler Aarhus Universitetshospital og Deutsches Krebsforschungszentrum, Heidelberg

Transkript

1 Partikelterapi Fysiklærerdag 2008, IFA, Århus Niels Bassler Aarhus Universitetshospital og Deutsches Krebsforschungszentrum, Heidelberg

2 Stråleterapi, i bedste fald: 100 % dosis i svulsten 0 % dosis i det raske væv Dosis: afsat energi per masseenhed Gray (J/kg)

3 Rationalet for konform stråleterapi Dosis (og tumorkontrol) i svulsten er begrænset af tolerancen af det raske væv v v / risikoorganerne ( organs( at risk ). Volumeneffekt: jo mindre væv v v bestråles, jo højere h tolerance af det raske væv. v v. Bedre konformitet af dosis muliggør r højere h dosis -> > højere h tumorkontrol uden at øge risiko for bivirkninger. (Obs: tumorkontrol overlevelse )

4 Konventionel stråleterapi (Røntgen og elektroner) (Rendering produced by Tomas Lundberg of MDS-Nordion.) 4

5 Clair et. al. 5

6 Lette partikler (elektroner, fotoner) spreder meget ved passage gennem stof => ringe konformitet. Tungere partikler spreder mindre, stråleterapi med partikler? Protoner (siden 60erne) Ioner (He, Li, B... C, Ne..) (siden 1994) Antiprotoner NYT! patienter behandlet. 25 aktive centre i dag. (kilde: PTCOG, Jan 2008) 3500 patienter behandlet i 3 centre. 0 patienter, 0 centre. (Stråleterapi med neutroner og pi-mesoner, blev også anvendt på patienter.) 6

7 Protonterapi 7

8 Protonterapi 150 MeV Protoner Bragg-peak 8

9 Spread out Bragg Peak SOBP = Spread out Bragg Peak (psi.ch) 9

10 To opponerende felter fire felter (SPTC, Val av utrustning för f r strålbehandling med protoner, slutrapport ) 05) 10

11 Protonterapi vs. IMRT (Fotoner) IMRT Fotoner IMPT Protoner Weber et. al. 11

12 X-rays Protonterapi (Medulloblastoma) X-rays IMRT PROTONS IMRT PROTONS Clair et. al. 12

13 Protonterapi (Medulloblastoma) 13

14 Photons IMRT Protonterapi Protons Lomax et. al. 2) Malignant melanoma 14

15 Protonterapi Lomax et. al. Case 2) Malignant melanoma 15

16 Teknik 16

17 Loma Lindas Proton Synkrotron bygget af Fermilab, USA * ~ 8 m diameter * pulset * energiskift fra puls til puls (varierer indtrængningsdybde) ngningsdybde) (Fermilab) Superledende Proton Cyklotron for Protonterapi, bygget af ACCEL (Tyskland) * ~ 3 m diameter * DC, høj h j strøm m (500nA) * nem at vedligeholde (ACCEL) * fast energi, -> > indtrængningsdybden ngningsdybden varieres ved at putte materiale ind i beamet (Degrader) 17

18 Passiv spredning af beam (psi.ch) gammel teknik brugt ved fx. Loma Linda, Boston cyklotroner er mono-energetiske, et modulationshjul er brugt til at sprede beamet ud langs z-aksen. z 18

19 Spot scanning ( Raster scanning ) ny teknik, udviklet og brugt ved PSI, GSI dybde-modulation enten via synkrotron eller en degrader for cyklotron (gsi.de) 19

20 Spot scanning ( Raster scanning ) Spot scanning at PSI (psi.ch) 20

21 Aktive faciliteter for partikelterapi (Jan 2008) 21

22 Partikelterapi planlagte facilliteter 22

23 Ældre partikeltarapi faciliteter forbundet med et fysik-institut. institut. Behandlingsrum ligner mere et fysiklaboratorium. (og det er det ogs (og det er det også) (Uppsala, Sweden) 23

24 Eksempel på moderne protonterapifacilitet: Rinecker Proton Therapy Center (RPTC-1) 24

25 Protonterapi RPTC Munich Cyklotron 4 Gantries + 1 vandret strålef leføring forventer 4000 patientbehandlinger per år. (ACCEL) 25

26 Protonterapi RPTC München Superledende cyklotron max: 250 MeV protoner (rptc.de) 26

27 Protonterapi RPTC München Strålef leføring fra cyklotron til de 5 behandlingsrum. (Beam føres f kun til et af rummene ad gangen.) (rptc.de) 4 Isocentriske proton gantries, (rptc.de) 27

28 Protonterapi RPTC München Røntgen-guided guided fuldautomatisk patient positionering. 2x MR scannere 2x kombinerede PET-CT scannere Full body staging examination, (~360 5 mm slices), lokaliserer tumorer og metastaser Fx. lungetumorer. Med bedøvelse bliver åndedrættet afbrudt under bestråingen (isf. gating) gating),, for at undgå positioneringsfejl. RPTC gantry nozzle Planagt også i Køln K og Leipzig. (rptc.de) Anslået pris per komplet behandling ink. diagnose:

29 Tunge ioner (dvs.: tungere end protoner) 29

30 Fotoner vs. Protoner vs. Kul-ioner (SPTC, Val av utrustning för f r strålbehandling med protoner, slutrapport ) 05) 30

31 To opponerende felter fire felter (SPTC, Val av utrustning för f r strålbehandling med protoner, slutrapport ) 05) 31

32 Radiobiologi Men hvad er så forskellen mellem Kulioner og protoner? Radiobiologien! Samme fysisk dosis for fotoner (eller protoner) og for kulioner, gør g ikke samme biologiske skade. reference med alm. fotoner 32

33 Kulioner - Radiobiologi Derfor: ikke nok at se på p fysisk dosis. Inkluder radiobiologi, optimer dosisplan efter biologisk effektiv dosis. Den væsentlige v forskel er i radiobiologien: radioresistente tumorer rammes nemmere med kulioner der har høj h j RBE... og der forskes... (G. Kraft et al) 33

34 Kulioner (gsi.de.) 34

35 Kulioner i Heidelberg 600 t 0.5 mm stiffness (dkfz.de.) 35

36 HIT - Jan Kulioner i Heidelberg (O. Jäkel) J 36

37 Kulioner i Heidelberg (Bild Zeitung) 37

38 38

39 Kulioner i Heidelberg Økonomi: HIT koster ~ 100 M M 50 % offentlige kilder, 50 % Heidelberg Universitet Pris per behandling (flere fraktioner) ~ 20 k k 39

40 Kulioner - Kun et par 100 patienter behandlet med kulioner i Tyskland (GSI), resten i Japan. Uafklarede spørgsm rgsmål: - hvad er den biologisk effektive dosis? - er kulioner bedre end protoner? For hvilke tumortyper? - er der sene effekter af behandlingen? Stråleterapi med kulioner er eksperimentelt. 40

41 Partikelterapi i Danmark? 41

42 11 32 patienter per indbyggere I I en dansk sammenhæng ng ville det svare til 1100 til 1750 patienter om året hvilket skal ses i sammenhæng ng med at kun patienter om året p.t. sendes til protonbehandling i udlandet (fortrinsvis Boston). (Rapport fra DSKO Accelerator Udvalg, 2004) 42

43 43

44 Antiprotoner NYT! 44

45 AD-4/ACE Kollaborationen estd Michael H. Holzscheiter 1, Niels Bassler 2,3, Jan Alsner 2, Gerd Beyer 4, John J. DeMarco 5, Michael Doser 6, Dragan Hajdukovic 7, Oliver Hartley 4, Keisuke S. Iwamoto 5, Oliver JäkelJ 3, Helge V. Knudsen 8, Sandra Kovacevic 7, Søren Pape MøllerM 8, Jens Overgaard 2, Jørgen B. Petersen 2, Timothy D. Solberg 9, Sanja Vranjes 10, Bradly G. Wouters University of New Mexico, Albuquerque, NM, USA 2 Dept. of Medical Physics and Experimental Clinical Oncology, Aarhus University Hospital, Aarhus, Denmark 3 Deutsches Krebsforschungszentrum, Heidelberg, Germany 4 Hospital Universitaire de Geneve, Geneva, Switzerland 5 David Geffen School of Medicine, UCLA, Los Angeles, CA, USA 6 CERN, Geneva, Switzerland 7 University of Montenegro, Podgorica, Montenegro 8 Dept. of Physics & Astronomy and ISA, University of Aarhus, Aarhus, Denmark 9 University of Nebraska Medical Center, Omaha, NE, USA 10 VINCA Institute for Nuclear Sciences, Belgrade, Serbia 11 University of Maastricht, Res. Institute Growth and Development,, The Netherlands. 18 participants. Stråleterapi med antiprotoner, gi'r det mening??

46 46

47 Antiprotoner - Annihilation pioner gamma-kvanter Kernefragmenter neutroner Energi fra annihilation : 2x m p ~ 1.88 GeV Men langt det meste går g r tabt med pionerne m.m. Kernefragmenter gør g r lokal skade, dog kun omkring 30 MeV 47

48 Antiprotoner - Produktion Antiproton produktion ved CERN Antiproton produktion ved CERN 26 GeV protonstråle -> > target 26 GeV protonstråle -> target p + p -> > p + p + p + pbar p + p -> p + p + p + pbar 48

49 Antiprotoner - Radiobiologi høj j RBE lav RBE Høj j RBE i peak, altså meget effekt per dosis... lav RBE i plateau; mindre effekt per dosis. 49

50 AD4/ACE Eksperimentet, CERN CCD KAMERA DEGRADER SCINTILLATOR (1 af 2) ANTIP ROTO N- STRÅ LE TARGET STRÅLE MONITORERING VANDFANTOM 50

51 AD4/ACE Eksperimentet, CERN Prøveholder 51

52 AD4/ACE - Target Kinesiske V79 hamsterceller i gelatine opløsning. Kølet ned til et par C for at stoppe cellereparationer. Efter bestråling bliver skiver af mm sået på Petri-skåle, og kolonierne bliver talt. 52

53 Relative Biological Efficiency (RBE) RBE peak = Co-60 Dose Peak Dose =1.15 RBE plat = Co-60 Dose Plateau Dose =1.0 Proton-data fra TRIUMF 53

54 V79 Resultater 2007 Raw data from 2007 V79 Cells. Plateau doses: A: 2.3 Gy B: 1.6 Gy D: 0.5 Gy E: 6.0 Gy F: 0.8 Gy Z: 9.0 Gy RBE(plateau) = RBE(peak) =

55 Bestem den radiobiologiske effekt af antiprotoner, sammenlign med kulioner og protoner. Planlægningstudier med antiprotoner, for at sammenligne forskellige partikelterapier. Undersøgelser af effekter af bestrålingen, uden for selve antiproton strålen (sekundær cancer induktion) Antiprotoner er dyre og vanskelige at fremstille. En dedikeret facillitet kan koste 1 G (ca ¼ metro-ring). 55

56 Protoner ved ASTRID 56

57 Protoner ved ASTRID 57

58 Protoner ved ASTRID 58

59 59

60 60