Dias nummer 1 - isa.au.dk · Radiobiologi H2O + energi ÆH2O+ + e- H2O+ + H 2O ÆH3O+ + HO...
Transcript of Dias nummer 1 - isa.au.dk · Radiobiologi H2O + energi ÆH2O+ + e- H2O+ + H 2O ÆH3O+ + HO...
Hospitalsfysik|Generelt
Christian Skou SøndergaardHospitalsfysikerMedicinsk FysikAarhus Universitetshosptial
Forelæsning (9. december 2015, 1515-1600) som del af kurset:”Moderne acceleratorers fysik og anvendelse”
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Hospitalsfysik
Diagnostisk radiologi, nuklearmedicin, onkologisk strålebehandling
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Nuklearmedicin
Scintigrafi SPECT PET
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Nuklearmedicin
Diagnostik (og terapi) baseret på radionuklider.
Scintigrafi
Et passende radiofarmakon indgives i patienten.
Udsendt gammastråling detekteres og et billede dannes.
Optaget af radiofarmakonetafhænger lokal fysiologisk process.
2D planbillede.
SPECT
3D tomografisk rekonstruktion
Single photon emission computed tomography
99mTc
Gammakamera (Anger kamera)
f.eks. fosfat-forbindelser optages i områder med øget knoglevækst.
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Tc-99m planar knoglescan
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Tc-99m
Technetium-99m (99mTc) benyttes til 80% af alle nuklearmedicinske billedetagninger.
kommer fra henfaldet af 99Mo fremstillet i kernereaktoranlæg
99Mo 99mTc + e- +
Technetium-99m henfalder ved udsendelse af gammafoton
99mTc 99Tc + γ Eγ = 140 keV
T1/2(99Mo) = 66 timer
T1/2(99mTc) = 6 timer
85% af det europæiske og nordamerikanske forbrug af (99mTc) leveres af blot to reaktorer.
Technetium indgår ikke i naturligt forekommende stoffer i kroppen
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Mangel på Mo-99/Tc-99m
Løsningsforslag:Problem: Mo-99 produceres i få aldrende reaktoranlæg forsyningsproblemer.
Reaktor opgradering/nybyg
Nyt acceleratorkoncept (til frembringelse af intens fotonstråle)
+ potentielt billigere (reaktor/10)+ mere sikre materialer (ikke beriget uran)- laver produktionsrate (reaktor/100)
γ 238U 99Mo
n 235U 99Mo
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Eksempel på teknologiudvikling
Energi ≈ 10 - 25 MeV Kan fremstilles på en lille (PET) cyklotron
Men T1/2(99mTc) = 6 timer Lokal produktion vil være nødvendig
100Mo (p,2n) 99mTc
100Mo (γ,n) 99Mo
Lav specifik aktivitet af 99MoKræver anderledes separationsteknik
R. Galea et al., Phys. Med. Biol. 58 (2013) 2737
Galea et al.
Fotodisintegration (photo nuclear reaction)
σ har bredt maksimum ≈ 14 MeV (giant resonance)
e 100Mo
W35 MeV, 1.8 kW
bremsestrålingLinac
Demonstrerer at hele produktionskæden til og med SPECT scanning kan fungere
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
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.
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
PET/CT scan
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Cyklotroner til fremstilling af radionuklider til PET
Siemens Eclipse HP cyclotron (11 MeV)
Ernest O. Lawrence (1934); U.S. Patent 1948384
Radionuklider til PET fremstilles ved at bombardere et target (væske) med et intens beam af protoner (deutroner) frembragt en cyklotron.
Moderne cykolotroner til produktion af PET sporstoffer er kompakte ’self shieldede’ installationer.
Energi typisk 10 – 30 MeV
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Introduktion til ekstern strålebehandling med lineære acceleratorer
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Cellebiologi & KræftKræft (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.
ForløbHvis 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.
~ 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.
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Kræftbehandling > strålebehandlingKirurgi
– Fjernelse af tumor.Ca. 50% modtager strålebehandling under behandlingsforløbet.
Antal strålebehandlinger pr. år2002 153,1542007 (anslået) 235,000
I dag udføres strålebehandling på 6 centre ved de onkologiske afdelinger på:
• Rigshospitalet• Amtssygehuset i Herlev• Odense Universitetshospital• Vejle Sygehus• Aarhus Universitetshospital• Ålborg Sygehus
Kemoterapi• Behandling med medicin (cytostatika).• Systemisk behandling.
Radioterapi (strålebehandling)• Behandling med ioniserende stråler.• Lokal behandling.
Ofte anvendes flere behandlingsformer
Antal linac:2003 : 342007 : 46 (behov)
Langt de fleste behandlinger gives som ekstern røntgen bestråling med anvendelse af linære acceleratorer.
Strålebehandling anvendes både med kurativ og palliativ sigte.
Satellitter• Næstved (2/1 - 2008)• Herning (4/5 - 2009)• Skejby (21/11 - 2011)
1913 Radiumstation etableres i København.
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Kræft i tal
1908 Første opgørelse: 1135 patienter er under lægebehandling for kræft!
• Befolkningstallet stiger og flere levere længere.
• Jo ældre man bliver, jo større risiko for kræft.Stigning i antal kræfttilfælde.
Stigning i antal kræfttilfælde observeret.
Livstidsrisiko for kræft (<75 år): 34 %
2001 Forekomst af kræft:
1943 Cancerregistret oprettes. Har siden registreret alle danske kræfttilfælde.
32,802 antal nye tilfælde.215,767 personer levede med en kræftdiagnose.
= 4.0% af befolkningen
Hyppighed (mænd):
- F.eks. hudkræft i stigning bl.a. pga. soldyrkning (særligt solarier).
Demografisk udvikling
Livsstilsændring
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Radiobiologi
H2O + energi H2O+ + e-
► H2O+ + H2O H3O+ + HO●
Strålingen forårsager direkte eller indirekte skadesvirkning på DNA-molekylet
Cellen indeholder mest vand (70%)
► e- + H2O H2O- OH- + H●
De frie radikaler er meget kemisk reaktive og kan skade DNA. O2 reagerer nemt med DNA radikal hvilket mindsker mulighed for reparation.
hypoxiske celler (f.eks. i center af tumor) er mindre strålefølsomme.
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.
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
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.
Derfor er der så mange hospitalsfysikere :-)
Kendskab til grundlæggende fysik – vekselvirkning mellem stråling og stof – og anvendt fysik – frembringelse af stråling –er en væsentlig kundskab inden for strålebehandling.
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Ladede partikler
Tunge ladede partikler
Neutrale partikler
Opsamling (vekselvirkning stråling og stof)
kontinuert Coulomb vekselvirkning. enkeltstående direkte vekselvirkninger
Hurtige elektroner
Neutroner
Fotoner
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Strålebehandlingens udvikling
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Strålebehandlingens (fysik) historie - IRøntgenstråling Radioaktivitet
1895 Wilhelm Röntgen opdager ny type stråling (røntgenstråler) fra udladningsrør.1901 Nobelpris (fysik)
1913 William Coolidge udvikler ny type røntgenrør, ’hot-cathode’, som revolu-tionerer radiologien.
mindre end 2 måneder efter opdagelsen af røntgenstrålingen!
1896 Emil Grubbé, Chicago, foretager første strålebehandling af kræftpatient
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. Bequerel1911 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.
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Intermezzo Røntgenrør
- Vakuum i røret- Filament og anode af Wolfram
Princip
Coolidge (1913) udvikler forbedret røntgenrør
Stabilt + Kontrollerbar intensitet & energi
Røntgenstråling fra target
Elektroner frigives fra katode filament ved termionisk emission.
Elektronerne accelereres af spændings-forskel og rammer anode (target) hvor røntgenstråling frigives
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.
10 cm
100 %
50 kV100 kV300 kV
dybde
dosi
s
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Strålebehandlingens (fysik) historie - II
1970’erneComputer-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.
Røntgenstråling Radioaktivitet
1920’erneHøjenergi røntgenrør, 200-500 kV
1940-50’erneBetatronen udvikles.Linære accelerator (linac) udvikles.
Diagnostik + dosisplanlægning
1950’erneCo-60 fremstilles. Muliggør koboltkanoner -effektive højenergi maskiner med stor behandlings-afstand.
1960’erneCs-137 og Ir-192 fremstilles. Velegnede kilder til brachyterapi. ’After-loading’ udstyr udvikles til brachyterapi,
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Intermezzo Koboltkanon
FordeleSimpelt og stabilt systemHøjere energi (MeV) end røntgenrør
UlemperGeometrisk penumbraAftagende aktivitetRadioaktivt affald
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).
Koboltkanonen afløses af den linære accelerator, men dog stadig udbredt i udviklingslande.
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Linær accelerator (linac) / strålekanon
Linære acceleratorer til strålebehandling udgør en stor del af verdens acceleratorer!
I praksis to leverandører til radioterapi
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Linac - historie
1956 Stanford (USA) behandling af dreng med retinoblastom.
1953 Hammersmith Hospital, London; første linac behandling.
Thwaits & Tuohy, ”Back to the future: the history and development of the clinical linear accelerator”, Phys. Med. Biol. 51 (2006) R343-362
1962 Varian’s første fuldt isocentriske linac.
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Linac - generelt
EPID
Fotoner: 6 & 15 MVElektroner: 6, 8, 10, 12, 15, 18 MeV
Feltform: 40x40 cm2
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Billedtagning
kV kildekV billedplade
MV kilde
MV billedplade
Verifikation af patientens position relativt til behandlingsapparatet.
Verifikation af feltform og dosimetri.
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Billedtagning > tomografi
Cone beam CT Cone beam CT
Konventionel CT scan
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Hvorfor forskellen i kontrast?MV kV
Intermezzo Billedtagning
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
StrålefeltDybdedosiskurve Dosisprofilkurve
Fotoner Elektroner
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
StrålefeltIsodosekurve
Kilefelt
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Strålebehandling i praksis
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Strålebehandling i tal
Behandlingsforløb
1-39 behandlingerá typisk 15 min. varighedNormalt én behandling pr. arbejdsdag
Økonomi
Accelerator = ca. 15 mio. krBunkeranlæg = ca. 20 mio. krStandardnormering
- 17 heltidsansatte/acceleratorÅrlig lønudgift = ca. 8 mio. kr
Driftsudgifter udgør hovedparten af udgifterne i forbindelse med et acceleratoranlæg.
Kapacitet pr. accelerator
5000 behandlinger pr. år pr. personalenormeret accelerator
- 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
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Strålebehandling i praksis
CT-scanning Radiolog/LægeFiksering
Strålebehandling
Dosisplanlægning
1-39x
MR-scanning
PET-scanning
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Dosisplanlægning
Mål Maksimere dosis til tumor og minimer dosis til raskt væv (risikoorganer)
dybde
dosis
PTVOAR PTVOAR
Dårlig løsning Bedre løsning
Dosis beregnes på computer med dosisplanlægningssystem (TPS, treatment planning system). Ikke trivielt.
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Eksempel: Prostata
Prostata
Femur Rectum
Blære
- Blære- Rectum- Lårbensknogle
Risikoorganer
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Eksempel: Prostata-3felt
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Dosisplanlægning
Intensitetsmoduleret strålebehandling (IMRT)
Mere konform inddækning ved at:
Intensity Modulated Radiation Therapy
• 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)
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Eksempel: Prostata-IMRT
IMRT
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Eksempel: Prostata-RapidArc Rotations IMRT
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Udfordringer i strålebehandling og fremtidige teknikker
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Hvor er tumor?
Hvad er tumor?
Generelt problem - uafhængig af strålebehandlingsmodalitet
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 diagnostikMR, PET, PET/CTFusionering af billeddata med den CT-
scanning som benyttes til dosisplanlægning.
MR CT
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Hvor er tumor?Generelt problem - uafhængig af strålebehandlingsmodalitet
Hvor er tumor?
Patienten ligger anderledes i forbindelse med behandlingen end under CT-scanningen (slapper af, taber sig, …).
Tumor kan ændre form (e.g. skrumper) eller placering (e.g. pga. luft i tarmen) undervejs i behandlingsforløbet.
Tumor kan bevæge sig imens behandlingen finder sted (særligt lungetumorer).
► Diagnostisk CT-scanning undervejs► Kontrolbilleder (MV, kV) ved linac
► Respirationsgated strålebehandling
IGRT (Image Guided Radiotherapy)
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Linac alternativ > TomoterapiTomoterapi
• 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.
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Linac alternativ > CyberKnife
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Strålebehandling – fremtidens modaliteter?
Boron Neutron Capture Therapy (BNCT)
• Molekyler med bor, 10B, introduceres i tumor. Tumor bestråles med neutroner.
• Høj energi α- og Li-partikler frigives, som afsætter deres energi indenfor cellen.
Partikelterapi (hadronterapi)
Protoner, lette ioner (12C6+)Neutroner, antiprotoner, …
Effektiv lokal destruktion af tumorceller.
Eksperimentel teknik. Ikke triviel.
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
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 medicinDiagnostik og terapi baseret på
radionuklider.Produktion af radionuklider vha.
cyklotron til f.eks. PET scanning
Opsamling
Rundvisning d. 15/12PET centret
Strålebehandlingen