Transcript Jaderná fyzika ve službách lékaře

Ústav jaderné fyziky AVČR
Jaderná fyzika ve službách lékaře
Vladimír Wagner
Ústav jaderné fyziky AVČR, 250 68 Řež, E_mail: [email protected], WWW: http://hp.ujf.cas.cz/~wagner/
1. Úvod
2. Diagnostika
2.1 Detekce záření gama
2.2 Produkce radioizotopů
2.3 Využití značených atomů
2.4 Pozitronová emisní tomografie
2.5 Jaderná magnetická rezonance
3. Terapie
3.1
3.2
3.3
3.4
Využití záření gama
Ozařování pomocí elektronů
Ozařování pomocí protonů
Ozařování pomocí těžších iontů
4. Závěr
Úvod
Využití vlastností jader v lékařství – nejen radioaktivity a záření
Počátek jaderné fyziky – objev radioaktivity 1896, spojeno s objevem rentgenova záření
Rozvoj diagnostických metod spojen i s využitím rentgenova záření
Hlavně využití záření gama – radioaktivní rozpad
Objev a zkoumání biologických účinků radiace – využití v terapii
Irene a Marie Curie
ve vojenské nemocnici
Radiologické pracoviště v 40. letech
Moderní kobaltová ozařovna
v nemocnici v Ostravě
Detekce záření gama
1) Fotoefekt: foton předá energii elektronu
v atomovém obalu
γ
e-
2) Comptonův rozptyl: foton se rozptýlí
na elektronu a předá mu část energie
e-
3) Tvorba párů elektron a pozitron:
v poli atomového jádra se vytvoří
e+e- pár
pozitron po ztrátě kinetické energie
anihiluje z elektronem. Produkuje
se dvojice kvant gama s E = 511 keV
Scintilační detektory – vysoká efektivita, horší
energetické rozlišení
BaF2, BGO, NaITl
Polovodičové detektory – velmi dobré energetické
rozlišení
HPGe – nutnost chladit na teplotu tekutého dusíku
eγ
γ
e+
γ
e-
Produkce potřebných radionuklidů
Gama záření následuje rozpad beta – nutnost připravit beta radioaktivní jádro
Využívají se jaderné reakce urychlených částic s jádry
Nejčastěji urychlovač protonů a lehkých iontů
Nejčastěji se využívá cyklotron
Intenzivní ozáření vhodného terče
Nutná chemická příprava a vpravení
radioaktivního jádra do vhodné molekuly
Příprava radiofarmak
Baby cyklotron, podobný je i v Nemocnici Na Homolce
Schéma cyklotronu
Cyklotron v ÚJF AVČR v Řeži
Diagnostika - využití metody značených atomů
Stabilní izotopy ve sloučeninách lze nahradit radioaktivními:
( 197Au  198Au, 12C  11C, 127I  123I)
výhodné jsou krátkodobé → rychle vymizí, důležitá také rychlost biologického vytěsňování
1) Vyšetřování funkce a stavu různých orgánů a tkání
2) Lokalizace zhoubných nádorů
Radiofarmaka - značené sloučeniny v lékařství – důležitý je široký sortiment sloučenin pro vyšetření
různých orgánů
Příprava radiofarmak, ochrana olovnatým sklem
(firma Radio-pharmacy, Inc. – Indiana, USA)
Příklady dalších používaných radionuklidů:
Pořizování „snímků“ vyšetřovaných
orgánů - scintigramů
32P, 57Co, 58Co, 51Cr, 18F, 67Ga, 75Se, 89Sr, 99mTc,
111In, 133Xe, 153Sm, 197Hg, 201Th, 203Hg
Detekce záření pomocí soustavy gama detektorů (využívají hlavně NaI(Tl)) ↔ „snímky“ orgánů
Studium metabolismu různých látek
Pozitronová emisní tomografie
Produkce radiofarmak (zvláště pozitronová emisní tomografie) – radioaktivní izotopy jsou
produkovány ozařováním vhodného terče na urychlovači
Radioaktivní izotopy s pozitronovým rozpadem → anihilace pozitronu v klidu → vznik dvou fotonů
(kvant záření gama) letících v opačném směru → jejich zachycením určení polohy
Využívané radioizotopy: 11C, 13N, 15O, 18F
Vložení radioaktivního izotopu do sloučeniny usazující se ve studovaném orgánu (přesná
diagnostika a medicínský výzkum):
Srdce zasažené infarktem
Zdravé srdce
Velmi dobré prostorové rozlišení ( 2 mm ), stále nové sloučeniny pro PET kamery (systémy
Pozitronové Emisní Tomografie)
Typická PET kamera a
komerční cyklotron IBA cyklone 10/3
Jednou z nejvhodnějších chemických
sloučenin pro umístění radionuklidu je
glukóza
Vývoj i produkce diagnostických
radiofarmak provozuje i ÚJF AVČR Řež
Přes noc ozáření, brzo ráno radiochemická
příprava dávky a rychlý rozvoz
Před léčbou
Po léčbě
PET kamera v Nemocnici na Homolce
U nás řada pracovišť, dvě mají vlastní
„baby“ cyklotron (Praha – Homolka a
Brno) – zajišťováno ÚJV Řež
Mozek čte
Mozek poslouchá
Ukázka zobrazení nádoru zažívacího traktu
pomocí PET kamery.
(Zdroj Nemocnice Na Homolce).
Příprava diagnostických radiofarmak (ÚJF AVČR Řež)
Jaderná magnetická rezonance
Využívá magnetické momenty jader a jejich
orientace v silném magnetickém poli
Intenzivní magnetické pole (až v řádu tesla)
vhodně nastavený jeho gradient
Vysokofrekvenční pole s odpovídající
frekvencí
Začíná v sedmdesátých letech
Zobrazení kolenního kloubu
Tlukoucí srdce
Zobrazení tepen
Moderní zařízení pro MRI
Biologické účinky záření
γ
Z=1
Z>4
Příprava biologických vzorků v našem ústavu
Poškození DNA
BEVALAC
Tvorba volných radikálů
!!! Využití větší citlivosti rakovinných buněk vůči radiaci !!!
Zajímavost:
Záblesky v očích vlivem průletu těžkého
iontu vysokoenergetického záření
Předpověď – 1952 – Cornelius Tobias
Pozorování: poprvé kosmonauti Apolla 11
Ověření na Zemi (1974: BEVALAC (první
urychlovač těžkých iontů) – svazek - C. Tobias
Určování biologického účinku radiace
Veličiny popisující ionizující záření a jeho biologický účinek:
Aktivita A [Bq = s-1] - počet rozpadů Četnost [Bq = s-1] - počet zaznamenaných
částic
Předaná energie:
Dávka D [Gy = Jkg-1] - celková energie předaná tkáni
nebo organismu Dávkový příkon [Gy s-1]
Biologický účinek záření závisí na druhu tkáně a záření:
Dávkový ekvivalent H = QD [Sv] ,
Q - jakostní faktor - relativní biologická účinnost daného záření na tkáň
Pracoviště radiační
biologie na urychlovači
BEVALAC v LBL
Ekvivalentní dávka HT = wRDT [Sv] DT – dávka pohlcená ve tkáni
Radiační váhový faktor wR jakostní faktor vystihující biologické riziko záření
Každý orgán a tkáň jsou jinak citlivé:
Efektivní dávka - součet ekvivalentních dávek
vážený s ohledem na radiační citlivost orgánů a
tkání pro všechny ozářené orgány
Biologické účinky ionizujícího záření:
Nestochastické - jsou prahové, dávka je
dostatečná, aby se během relativně krátké
doby projevilo pozorovatelné poškození
Druh záření
wR
Fotony a elektrony všech energií
1
Neutrony s energií 10 keV
5
Neutrony s energií 10 - 100 keV
10
Neutrony s energií 0,1 - 2 MeV
20
Neutrony s energií 2 - 20 MeV
10
Záření α
20
Stochastické účinky - dávka nevyvolá v krátké době pozorovatelné poškození ale je jistá
pravděpodobnost jeho pozdějšího projevení
Připomenutí průměrné ozáření člověka přírodními zdroji 2,4 mS/rok
(rozmezí 1 – 10 mS/rok)
Základní limity: běžný člověk
(nad pozadím)
pracovník se zářením
1 mSv/rok
50 mSv/rok
Jaké ozáření přinášejí různé běžné činnosti:
RTG vyšetření plic
0,04 – 0,4 mSv
CT (počítačová tomografie)
7 mSv
Jeden 7 hodinový let
0,05 mSv
Posádky civilních letadel ročně
2 mSv
Skylab 4 za 4 měsíce (440 km):
178 mSv (denně 1,5 mSv)
Havárie v Černobylu:
Bezprostřední účastníci: i několik Sv
Hodnota pro pozdější likvidátory:
střední 100 mSv maximum 500 mSv
Evakuované obyvatelstvo 0,1 – 380 mSv
Spočítejte si velikost vaší radiační zátěže: http://www.epa.gov/radiation/students/calculate.html
Interakce záření s hmotou
Interakce protonů a těžkých iontů se liší od interakce elektronů a fotonů
Efektivní
relativní dávka
Protony
Elektrony
Uhlík
Fotony
Uhlík
změna
energie
Protony
Proton
změna
energie
Hloubka v tkáni [cm]
Schématické porovnání různých veličin
pro protony a elektrony
Využití záření gama
Většinou využití záření produkovaného radioaktivním kobaltem 60Co
Leksellův gama nůž (v Česku v Nemocnici na Homolce ročně zhruba 800 operací)
Využití elektronů
Urychlovače elektronů jsou jednodušší a menší než urychlovače protonů
První pacient v roce 1956 v Stanfordu
Za historii ozářeno více než sto milionů pacientů
Zhruba polovina v současnosti ozařovaných pacientů
První pacient urychlovače Stanfordské university – dvouletý chlapec Urychlovač v padesátých a šedesátých letech
Gama nebo elektrony
Zdravé
buňky
Rakovinné
buňky
Nevýhoda – úbytek intenzity s hloubkou v tkáni
Vhodné jako u gama záření ozařování z různých stran
Využití větší citlivosti rakovinných buněk
Velmi efektivní využití v případech nemožnosti přístupu
chirurga – hlavně rakovina mozku, v blízkosti očního
nervu, míchy …
Moderní medicínský lineární urychlovač
Moderní urychlovač elektronů v Stanfordu
Využití protonů (hadronová terapie)
Využití maximální depozice energie na konci dráhy
Potřeba urychlovače protonů na relativistické energie
→ rychlost protonu blízká rychlosti světla
Změny směru letu protonů (magnetickým polem) a
změna doletu změnou energie urychlených částic
Řada experimentálních pracovišť po celém
světě u velkých výzkumných urychlovačů
První specializované pracoviště (USA 1990)
Postupné budování dalších v různých místech
První se začíná budovat v Česku v Praze
na Bulovce
Pracoviště hadronové terapie v Japonsku
Stavba zařízení pro protonovou terapii v Praze na Bulovce
Proton Therapy Center Czech 4. ozařovny rok 2013
Ozařování těžkými ionty
Využití závislosti ionizačních ztrát energie nabité částice
na její rychlosti.
Větší náboj (těžší iont) → větší maximum na konci dráhy
Možnost umístění destrukční energie do místa nádoru bez
poškození okolní tkáně
Urychlovač těžkých iontů
Magnetické pole mění směr letu iontů
Změna energie mění jejich dolet
Třírozměrné proskenování nádoru a jeho zničení
Část urychlovače těžkých iontů SIS v GSI Darmstadt
Radioaktivní svazek s pozitronovým zářičem
→ průběžné PET sledování úspěšnosti
ozáření
Hlavně nádory mozku:
1) Problém s chirurgickým zákrokem
2) Nemetastázují
3) Dobře ohraničené
Testovací systém s využitím urychlovače SIS
v GSI Darmstadt (100 MeV - 1 GeV)
Úspěšně vyléčeny stovky pacientů
V minulém roce začal provoz velkého klinického
pracoviště v Heidelbergu
4 ozařovny kapacita 1300 pacientů ročně
Jedno je gantry s hmotností 600 t
Zacílení svazku lepší než půl mm
Cena 100 milionů EUR ( 1 zákrok 20 000EUR)
Široce spojeno s diagnostikou PET,
MRI, CT …
V budoucnu – využití i pro ozařování
pohyblivých částí těla
Výstavba zařízení po celé Evropě
Možnost využití antiprotonů (anihilace
na konci dráhy) – testy v CERNu
Borová záchytová terapie
Reakce neutronu s borem – produkce alfa částice – velký biologický dopad
Vhodná sloučenina dopraví bór do nádoru →
ozáření neutrony z reaktoru → reakce a ničení rakovinných buněk
Zatím experimentální metoda – pět ozařování i v ÚJV v Řeži
Hodně intenzivní práce v této oblasti v Japonsku
Bórová záchytová terapie
Jiné metody: vnitřní ozáření pomocí kapslí s radionuklidy – iridiové drátky
Ozařovny – sterilizace zdravotního zařízení
Využití biologických účinků záření ke sterilizaci chirurgických nástrojů a dalších
medicínských potřeb
Většinou se využívají intenzivní zdroje radioaktivního kobaltu 60Co
Výhody: Není riziko zanechání škodlivých zbytků
Nemění vlastnosti materiálů či potravin
V Česku velká ozařovna - BIOSTER a.s. Veverská Bítýška
Genesis – ozařovač pro potraviny
firmy Gray Star, využívá 60Co
Změna vlastností materiálů po ozáření – vylepšení povrchu kloubních náhrad
Závěr
1) Velmi široké využití jaderných metod
2) Využití záření gama (vhodných radionuklidů)
3) Velmi výhodné využití anihilace pozitronů PET – třírozměrný obraz
4) Magnetická jaderná rezonance – neradiační metoda
5) Biologické účinky záření
6) Využití záření gama – Lekselův gama nůž
7) Využití elektronů – jedno z nejčastěji dostupných
8) Hadronová terapie – využití protonů i těžších iontů
9) Bórová záchytová terapie
10) Jaderná diagnostika i terapie určitě i v budoucnu zachrání řadu životů