Forelæsning (9. december 2015, 15 15-16 00 ) som del af kurset: Moderne acceleratorers fysik og anvendelse Hospitalsfysik Generelt Christian Skou Søndergaard Hospitalsfysiker Medicinsk Fysik Aarhus Universitetshosptial Hospitalsfysik Diagnostisk radiologi, nuklearmedicin, onkologisk strålebehandling
Nuklearmedicin Scintigrafi SPECT PET Nuklearmedicin Diagnostik (og terapi) baseret på radionuklider. Gammakamera (Anger kamera) Et passende radiofarmakon indgives i patienten. 99m Tc Udsendt gammastråling detekteres og et billede dannes. Optaget af radiofarmakonet afhænger lokal fysiologisk process. f.eks. fosfat-forbindelser optages i områder med øget knoglevækst. Scintigrafi 2D planbillede. SPECT Single photon emission computed tomography 3D tomografisk rekonstruktion
Tc-99m planar knoglescan Tc-99m Technetium-99m ( 99m Tc) benyttes til 80% af alle nuklearmedicinske billedetagninger. kommer fra henfaldet af 99 Mo fremstillet i kernereaktoranlæg 99 Mo 99m Tc + e - + T 1/2 ( 99 Mo) = 66 timer Technetium-99m henfalder ved udsendelse af gammafoton 99m Tc 99 Tc + γ E γ = 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
Mangel på Mo-99/Tc-99m Problem: Mo-99 produceres i få aldrende reaktoranlæg forsyningsproblemer. Løsningsforslag: Reaktor opgradering/nybyg Nyt acceleratorkoncept (til frembringelse af intens fotonstråle) n 235 U 99 Mo + potentielt billigere (reaktor/10) + mere sikre materialer (ikke beriget uran) - laver produktionsrate (reaktor/100) γ 238 U 99 Mo Eksempel på teknologiudvikling R. Galea et al., Phys. Med. Biol. 58 (2013) 2737 100 Mo (p,2n) 99m Tc Energi 10-25 MeV Kan fremstilles på en lille (PET) cyklotron Men T 1/2 ( 99m Tc) = 6 timer Lokal produktion vil være nødvendig 100 Mo (γ,n) 99 Mo Fotodisintegration (photo nuclear reaction) σ har bredt maksimum 14 MeV (giant resonance) Galea et al. Linac e 35 MeV, 1.8 kw W 100 Mo Lav specifik aktivitet af 99 Mo Kræver anderledes separationsteknik bremsestråling Demonstrerer at hele produktionskæden til og med SPECT scanning kan fungere
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. 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 10 30 MeV Ernest O. Lawrence (1934); U.S. Patent 1948384 Moderne cykolotroner til produktion af PET sporstoffer er kompakte self shieldede installationer. Siemens Eclipse HP cyclotron (11 MeV) Introduktion til ekstern strålebehandling med lineære acceleratorer
Cellebiologi & Kræft Kræft (cancer)... samlebetegnelse for en række sygdomme karakteriseret ved uhæmmet vækst af celler (svulstdannelse, tumor). kan i princippet udgå fra alle slags celler og dermed alle slags organer. ubehandlet fører sygdommen som regel til individets død. ~ 10 μm 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. Forløb 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. Kræftbehandling > strålebehandling Kirurgi Fjernelse af tumor. Kemoterapi Behandling med medicin (cytostatika). Systemisk behandling. Radioterapi (strålebehandling) Behandling med ioniserende stråler. Lokal behandling. Ofte anvendes flere behandlingsformer Ca. 50% modtager strålebehandling under behandlingsforløbet. Langt de fleste behandlinger gives som ekstern røntgen bestråling med anvendelse af linære acceleratorer. Strålebehandling anvendes både med kurativ og palliativ sigte. Antal strålebehandlinger pr. år 2002 153,154 2007 (anslået) 235,000 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 Aarhus Universitetshospital Ålborg Sygehus Satellitter Næstved (2/1-2008) Herning (4/5-2009) Skejby (21/11-2011) Antal linac: 2003 : 34 2007 : 46 (behov)
Kræft i tal 1908 Første opgørelse: 1135 patienter er under lægebehandling for kræft! 1943 Cancerregistret oprettes. Har siden registreret alle danske kræfttilfælde. 2001 Forekomst af kræft: 32,802 antal nye tilfælde. 215,767 personer levede med en kræftdiagnose. = 4.0% af befolkningen Hyppighed (mænd): Stigning i antal kræfttilfælde observeret. Demografisk udvikling Befolkningstallet stiger og flere levere længere. Jo ældre man bliver, jo større risiko for kræft. Stigning i antal kræfttilfælde. Livsstilsændring - F.eks. hudkræft i stigning bl.a. pga. soldyrkning (særligt solarier). Livstidsrisiko for kræft (<75 år): 34 % Radiobiologi 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.
Strålebehandlingens evne til at stoppe en kræftknudes vækst er den makroskopiske biologisk konsekvens af de mikroskopiske fysiske vekselvirkninger mellem stråling og stof i cellernes indre. 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 :-) Opsamling (vekselvirkning stråling og stof) Ladede partikler kontinuert Coulomb vekselvirkning. Tunge ladede partikler Neutrale partikler enkeltstående direkte vekselvirkninger Neutroner Hurtige elektroner Fotoner
Strålebehandlingens udvikling Strålebehandlingens (fysik) historie - I Røntgenstråling 1895 Wilhelm Röntgen opdager ny type stråling (røntgenstråler) fra udladningsrør. 1901 Nobelpris (fysik) 1896 Emil Grubbé, Chicago, foretager første strålebehandling af kræftpatient mindre end 2 måneder efter opdagelsen af røntgenstrålingen! 1913 William Coolidge udvikler ny type røntgenrør, hot-cathode, som revolutionerer radiologien. Radioaktivitet 1896 Henry Bequerel opdager stråling (radioaktivitet) fra uranholdige salte. 1898 Marie (og Pierre) Curie opdager radium og polonium. 1903 Nobelpris (fysik) til M. og P. Curie og H. Bequerel 1911 Nobelpris (kemi) til M. Curie. 1901 Første forsøg med radium-behandling af sygdom. Forbrænding pga. radium opdaget ved uagtsom omgang med stoffet (Bequerel). 1913 Radiumstation etableres i København.
Intermezzo Røntgenrør Coolidge (1913) udvikler forbedret røntgenrør - Vakuum i røret - Filament og anode af Wolfram Stabilt + Kontrollerbar intensitet & energi Princip Elektroner frigives fra katode filament ved termionisk emission. Elektronerne accelereres af spændingsforskel og rammer anode (target) hvor røntgenstråling frigives Røntgenstråling fra target Bremsestråling, røntgenstråling som udsendes pga. acceleration af elektronerne i de elektriske felter fra atomerne i target Karakteristisk røntgenstråling fra target atomer som har fået slået elektroner ud af de inderste skaller. 100 % dosis 50 kv 100 kv 300 kv dybde 10 cm Strålebehandlingens (fysik) historie - II Røntgenstråling 1920 erne Højenergi røntgenrør, 200-500 kv 1940-50 erne Betatronen udvikles. Linære accelerator (linac) udvikles. Diagnostik + dosisplanlægning Radioaktivitet 1950 erne Co-60 fremstilles. Muliggør koboltkanoner - effektive højenergi maskiner med stor behandlings-afstand. 1960 erne Cs-137 og Ir-192 fremstilles. Velegnede kilder til brachyterapi. After-loading udstyr udvikles til brachyterapi, 1970 erne Computer-teknologi bliver tilgængelig. Forbedret dosisplanlægningen. CT-skanner (computed tomography). Forbedret diagnostik og dosisplanlægning. 1979 Nobelpris (medicin eller fysiologi) til Allan Cormack og Godfrey Hounsfield. MRI (Magnetic Resonance Imaging) Forbedret diagnostik og dosisplanlægning.
Intermezzo Koboltkanon Co-60 Radioaktivt isotop af kobolt. Udsender to karakteristiske γ-stråler (1.17 MeV, 1.33 MeV) med halverings-tid på 5.27 år. - Væsentlig billigere end radium. - Væsentlig højre aktivitet end radium. Apparatur med Co-60 som strålekilde blev udviklet i 1950 erne (Canada). Fordele Simpelt og stabilt system Højere energi (MeV) end røntgenrør Ulemper Geometrisk penumbra Aftagende aktivitet Radioaktivt affald Koboltkanonen afløses af den linære accelerator, men dog stadig udbredt i udviklingslande. Linær accelerator (linac) / strålekanon Linære acceleratorer til strålebehandling udgør en stor del af verdens acceleratorer! I praksis to leverandører til radioterapi
Linac - historie 1953 Hammersmith Hospital, London; første linac behandling. 1956 Stanford (USA) behandling af dreng med retinoblastom. 1962 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) R343-362 Linac - generelt EPID Fotoner: 6 & 15 MV Elektroner: 6, 8, 10, 12, 15, 18 MeV Feltform: 40x40 cm 2
Billedtagning MV kilde Verifikation af patientens position relativt til behandlingsapparatet. kv kilde kv billedplade Verifikation af feltform og dosimetri. MV billedplade Billedtagning > tomografi Cone beam CT Cone beam CT Konventionel CT scan
Intermezzo Billedtagning MV kv Hvorfor forskellen i kontrast? Strålefelt Dybdedosiskurve Dosisprofilkurve Fotoner Elektroner
Strålefelt Isodosekurve Kilefelt Strålebehandling i praksis
Strålebehandling i tal Behandlingsforløb 1-39 behandlinger á typisk 15 min. varighed Normalt én behandling pr. arbejdsdag Kapacitet pr. accelerator 5000 behandlinger pr. år pr. personalenormeret accelerator Økonomi Accelerator = ca. 15 mio. kr Bunkeranlæg = ca. 20 mio. kr Standardnormering - 17 heltidsansatte/accelerator Årlig lønudgift = ca. 8 mio. kr Driftsudgifter udgør hovedparten af udgifterne i forbindelse med et acceleratoranlæg. - Ugentlig åbningstid, 37 timer - Behandling på hverdage - Nyopstilling ca. 1 time - Standard behandling ca. 15 min - Buffertid ca. 1 time Mangel på kvalificeret arbejdskraft er en væsentlig praktisk udfordring hvis strålebehandligskapaciteten skal øges. Bekendtgørelse nr. 48 af 25. januar 1999 Strålebehandling i praksis Fiksering CT-scanning Radiolog/Læge MR-scanning Dosisplanlægning PET-scanning Strålebehandling 1-39x
Dosisplanlægning 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. Eksempel: Prostata Prostata Risikoorganer -Blære - Rectum -Lårbensknogle Femur Rectum Blære
Eksempel: Prostata-3felt Dosisplanlægning Intensitetsmoduleret strålebehandling (IMRT) Intensity Modulated Radiation Therapy Mere konform inddækning ved at: modulere intensiteten fra de enkelte feltretninger benytte mange feltretninger -kræver MLC - beregningstungt (optimering) Rapid Arc, VMAT rotations IMRT Dynamisk modulation af feltstørrelser og dosishastigheder alt i mens gantry roterer. væsentlig tidsgevinst ved apparatet i forhold til IMRT. - meget beregningstungt (optimering)
Eksempel: Prostata-IMRT IMRT Eksempel: Prostata-RapidArc Rotations IMRT
Udfordringer i strålebehandling og fremtidige teknikker Hvor er tumor? Generelt problem - uafhængig af strålebehandlingsmodalitet Hvad er tumor? Tumor optræder ikke nødvendigvis forskelligt fra det omkringliggende væv på en CT-scanning (som måler tæthed). Der kan være væsentlig variation i det target som forskellige læger udpeger Andre billedmodaliteter til diagnostik MR, PET, PET/CT Fusionering af billeddata med den CTscanning som benyttes til dosisplanlægning. MR CT
Hvor er tumor? Generelt problem - uafhængig af strålebehandlingsmodalitet Hvor er tumor? Patienten ligger anderledes i forbindelse med behandlingen end under CTscanningen (slapper af, taber sig, ). Tumor kan ændre form (e.g. skrumper) eller placering (e.g. pga. luft i tarmen) undervejs i behandlingsforløbet. IGRT (Image Guided Radiotherapy) Tumor kan bevæge sig imens behandlingen finder sted (særligt lungetumorer). Respirationsgated strålebehandling Diagnostisk CT-scanning undervejs Kontrolbilleder (MV, kv) ved linac Linac alternativ > Tomoterapi Tomoterapi Kompakt Linac monteret på roterende gantry som i en CT-scanner. Moduleret bestråling mens patienten føres frem på lejet. Klinisk brug siden 2002. Præcis positionering med CT-scanning. Principielt bedre måde at opnå IMRT på.
Linac alternativ > CyberKnife Strålebehandling fremtidens modaliteter? Partikelterapi (hadronterapi) Protoner, lette ioner ( 12 C 6+ ) Neutroner, antiprotoner, Boron Neutron Capture Therapy (BNCT) Molekyler med bor, 10 B, introduceres i tumor. Tumor bestråles med neutroner. Høj energi α- og Li-partikler frigives, som afsætter deres energi indenfor cellen. Effektiv lokal destruktion af tumorceller. Eksperimentel teknik. Ikke triviel.
Opsamling Hospitalsfysik Diagnostisk radiologi Nuklear medicin Onkologisk strålebehandling Onkologisk strålebehandling > Behandling af kræft vha. højenergi foton- og elektronbestråling. > Fra røntgenrør til strålekanon linær acc. (+ bremsstrahlung target). Nuklear medicin Diagnostik og terapi baseret på radionuklider. Produktion af radionuklider vha. cyklotron til f.eks. PET scanning Rundvisning d. 15/12 PET centret Strålebehandlingen