Medicinsk Fysik. Fysiklærerdag på Aarhus Universitet 23. Januar 2004

Medicinsk Fysik Fysiklærerdag på Aarhus Universitet 23. Januar 2004 Hospitalsfysiker Mette Skovhus Thomsen Afdeling for Medicinsk Fysik Århus Sygehus

Menu Medicinsk Fysik Grundlæggende begreber Fotoners vekselvirkning Dosis Strålebiologi CT scanneren PET scanneren Elektronacceleratoren Dosisplanlægning Intensitetsmoduleret stråleterapi (IMRT)

Medicinsk fysik Cand. scient. i fysik eller civilingeniør med speciale indenfor fysik Ansættelse som hospitalsfysiker på en afdeling, der er godkendt som uddannelsessted 3 årigt uddannelseforløb Tre fagområder: Nuklear medicin Diagnostisk radiologi Onkologisk strålebehandling

Medicinsk fysik Nuklear medicin Patienten får indsprøjtet en radioaktiv isotop bundet til et bæremolekyle, der er bestemmende for hvor radioisotopen ender. Gammastrålingen fra radioisotopen måles. Diagnostisk radiologi Fra et røntgenrør sendes røntgenstråling mod patienten. Den transmitterede stråling måles og omsættes til et billede. Onkologisk strålebehandling Stråling fra en elektronaccelerator (røntgen/elektroner) sendes mod patienten. Den i patienten absorberede stråling forårsager ødelæggelse af kroppens celler.

Grundlæggende begreber: Fotoners vekselvirkning Elektromagnetisk stråling vekselvirker med stof via hovedsageligt tre forskellige processer: Fotoelektrisk effekt Compton spredning Parproduktion

Grundlæggende begreber: Fotoners vekselvirkning Den fotoelektriske effekt Sandsynligheden for processen er proportional med Z 3 /E 3 Vigtig for billedkvaliteten i det diagnostiske område (E<150 kev) knogle Z = 13.8 væv Z = 7.4

Grundlæggende begreber: Fotoners vekselvirkning Compton effekten Sandsynligheden for processen er proportional med elektrontætheden for stoffet. Da alle stoffers elektrontæthed er næsten ens, er sandsynligheden for comptoneffekten stort set stofuafhængig. Den dominerende vekselvirkningsproces ved strålebehandling.

Grundlæggende begreber: Fotoners vekselvirkning Parproduktion Sandsynligheden for parproduktion er proportional med Z lne

Grundlæggende begreber: Dosis Fotoelektrisk effekt Compton spredning Pardannelse Disse vekselvirkningsprocesser fører til, at fotonens energi helt eller delvist omdannes til kinetisk energi for elektroner i stoffet. Når disse elektroner bevæger sig gennem stoffet, vil de vekselvirke med andre elektroner og derved give anledning til eksitationer og ionisationer i stoffet. Absorberet dosis er den energi, der afsættes i materialet i et givent punkt pr. masseenhed af materialet. D = detilført/dm Enhed: 1 Gy = 1 J/kg

Grundlæggende begreber: Strålebiologi Cellerne har forskellige reparationsmekanismer således at kun brud på begge DNA strenge fører til mutationer eller celledød.

Grundlæggende begreber: Strålebiologi Normale celler har bedre reparationsmekanismer end tumorceller. Fordel for normale celler at dele dosis op i mange fraktioner. Typisk skal der gives 64-80 Gy for at fjerne en tumor. Denne dosis gives som 32-40 behandlinger af 2 Gy

CT scanneren Dataindsamling Røntgenrøret genererer de stråler, som sendes gennem patienten ved scanningen. De svækkede strålers intensitet registreres af en kæde af detektorer. Dette gentages 360 grader rundt om patienten. Til hver projektion kan en transmissionsprofil udledes.

CT scanneren Rekonstruktion Objektet opdeles i en række (typisk 512x512) små vævsterninger (voxler). På baggrund af de indsamlede transmissionsprofiler er det muligt at tildele hvert enkelt voxel en værdi svarende til den absorption som aktuelt har fundet sted. Absorptionsværdierne konverteres til gråtoner som præsenteres på en monitor eller på en røntgenfilm.

CT scanneren

CT scanneren For store forskelle i absorptionen kan føre til en ikke-perfekt tilbageprojektion. Det ses som mørkere striber, der stråler ud fra tændernes fyldninger i CT-billedet.

CT scanneren CT scanneren Konsollen hvorfra scanneren styres og databehandlingen foretages

PET scanneren

PET scanneren PET Positron Emissions Tomografi Detektionsprincippet Henfald og annihilation PET kameraet

PET scanneren PET isotoper Isotop Produktions mekanisme Halveringstid (min) 11 C 14 N + 1 H > 11 C + 4 He 20.4 13 N 16 O + 1 H > 13 N + 4 He 10.0 15 O 14 N + 2 D > 15 O + n 2.05 18 F 18 O + 1 H > 18 F + n 110

PET scanneren Radiofarmaceutiske stoffer til PET undersøgelser Isotop Stof Anvendelse 11 C 11 CO Blodvolumen Methionin Proteinsyntese 13 N Ammoniak Blodgennemstrømning 15 O H 15 2 O Blodgennemstrømning 15 O 2 Oxygenmetabolisme 18 F Deoxyglycose (FDG) Glycosemetabolisme Dopa Dopamin receptorer

PET scanneren PET-scanninger med 18 F-FDG Patient med normal hjernefunktion Patient med Alzheimers

PET scanneren Helkrops PET-scanning med 18 F-FDG Tumor i en lymfeknude

Elektronacceleratoren

Elektronacceleratoren Ældre acceleratorer (> 10 år) kan kun generere rektangulære strålefelter. Skal man have andre feltformer støbes der en afdækning, der sættes i apparatet. Moderne acceleratorer kan forme strålefelterne ved hjælp af en mange-bladskollimator (MLC).

Elektronacceleratoren Eksperimentel bestemmelse af dosis fra acceleratoren Mennesket kan i dosimetrisk henseende betragtes som opbygget af vand. Absorberet dosis måles med et ionkammer nedsænket i en stor vandtank. 100 100 Dosis (%) 80 60 40 Dosis (%) 80 60 40 20 20 0 0 5 10 15 20 25 30 z (cm) 0-25 -20-15 -10-5 0 5 10 15 20 25 x (cm)

Elektronacceleratoren De fleste elektronacceleratorer kan give både elektroner og røntgenstråling. Elektroner har en forholdsvis kort rækkevidde i væv. Røntgenstråling i MV området trænger gennem meget væv uden at svækkes så meget. 100 100 Dybde dosis (%) 80 60 40 20 4 MVR 10 MVR 20 MVR Dybde dosis (%) 80 60 40 20 0 0 2 4 6 8 10 Dybde (cm) 0 0 5 10 15 20 25 30 Dybde (cm)

Dosisplanlægning Planlægningen af en strålebehandling foregår i mange tilfælde ved et dosisplanlægningssystem. På patientens CT-scanning indtegner lægen det eller de områder, der skal behandles samt de risikoorganer, der skal skånes.

Dosisplanlægning Billedfusion mellem CT og MR billeder er en hjælp ved indtegningen

Dosisplanlægning Fysikeren kan derefter lægge strålefelter ind og få beregnet dosis.

Dosisplanlægning

Dosisplanlægning 75 Gy 70 Gy 65 Gy 60 Gy 50 Gy 40 Gy 25 Gy 10 Gy

Intensitetsmoduleret stråleterapi (IMRT) Konventionel stråleterapi: Homogen intensitet i hele strålefeltet Intensitetsmoduleret stråleterapi: Inhomogen intensitet i strålefeltet Høj intensitet Lav intensitet

Intensitetsmoduleret stråleterapi (IMRT) Konventionel planlægning: Gantry-, kollimator- og lejevinkler, blokke,! kile, feltvægte Invers planlægning: Gantry-, kollimator- og lejevinkler, dosisbetingelser for targets og OAR

IMRT: Invers planlægning

IMRT: Eksempel på segmenter for et felt

IMRT: Bedre livskvalitet for patienten Resultatet af for høj dosis til et normalt væv kan deles op i: 1) Alvorligt handicap/død: Rygmarven - permanent lammelse 2) Permanente, ubehagelige gener for patienten: Spytkirtlerne - nedsat spytproduktion (synkebesvær, huller i tænderne) 3) Ingen fysiske, kun kosmetiske: Hudforandringer (permanent rødme)

IMRT: Differentieret dosis til tumor? Jo mindre O 2 tumorvævet indeholder desto mere stråleresistent er vævet. Hvis vævets variation i stålefølsomhed kan bestemmes, kan man lave behandlingen, så de dele af tumor, der er mest modstandsdygtig over for stråling, får den højeste dosis.

Afslutning Indenfor onkologisk strålebehandling benyttes i stigende grad metoder fra de to andre discipliner indenfor medicinsk fysik. Nye tekniske muligheder i form af CT, MR og PET og fusion af billederne fra disse scanninger sammen med udviklingen af mere avancerede acceleratorer har ført til nye behandlingsmetoder. Med disse meget præcise og komplekse strålebehandlinger kan man øge dosis til tumor uden at øge strålekomplikationerne for patientens raske væv. Tværtimod er det muligt med disse teknikker at skåne organer som f.eks. spytkirtler, så patientens livskvalitet efter behandlingen øges betragteligt.