Transcript Hiukkasfysiikka lääketieteessä

Hiukkasfysiikka lääketieteessä
Riikka Kähkönen ja Anni Immonen
Johdanto
• Hiukkasfysiikan sovelluksia lääketieteessä ei
vielä tunneta monia
• Tällä hetkellä sitä käytetään lähinnä
kuvantamisessa (PET), mutta myös erilaisina
hoitomuotoina (hiukkasterapia)
PET-kuvaus
Yleisesti
• Radioaktiivisia isotooppeja hyödyntävä kuvausmenetelmä,
jonka avulla tutkitaan elimistön ja
kudosten aineenvaihduntaa
• Potilaan verenkiertoon ruiskutetaan radioaktiivista
merkkiainetta ja kamera seuraa sen jakautumista kehossa
• PET-kamerat ovat yleistyneet ja niiden käyttö on
suhteellisen helppoa.
• Suomessa PET-kameroita on Turussa, Helsingissä ja
Tampereella. Lisäksi tutkimuksia voidaan tehdä
pienemmissä sairaaloissa kiertävällä rekka-PET-laitteella
Toiminta
•
•
•
•
•
PET-kuvaus perustuu lievästi radioaktiivisten merkkiaineiden käyttöön, jotka
potilaan elimistössä hakeutuvat haluttuun kohteeseen, esimerkiksi
syöpäkudokseen.
Kuvattavalle henkilölle annetaan radioaktiivisella isotoopilla leimattu merkkiaine
joko injektiona tai inhalaationa.
Isotoopilla leimattu merkkiaine käyttäytyy elimistössä kuten kyseessä oleva yhdiste
yleensäkin käyttäytyy.
Radioaktiivisen isotoopin positiivisessa betahajoamisessa vapautuvat positronit
törmäävät elimistössä elektroneihin, tapahtuu annihilaatio (massa häviää ja
muuttuu kahdeksi vastakkaisiin suuntiin eteneväksi 511keV:n gammakvantiksi),
jonka seurauksena syntynyttä gammasäteilyä voidaan havaita kehon ulkopuolelta.
Esimerkiksi merkkiaineena käytetty FDG eli fluorodeoksiglukoosi (glukoosin
kaltainen aine, sokeri) hakeutuu elimistössä elimeen jossa on kasvain, sillä
kasvaimellinen elin käyttää kiihtyneen aineenvaihduntansa vuoksi normaalia
huomattavasti enemmän sokeria. Radioaktiivisen merkkiaineen lähettämä
gammasäteily havaitaan kuvantamislaitteella, ja kasvain voidaan paikantaa.
Kuvauslaitteet
• Positronikamera on kallis laite, joka on optimoitu annihilaatiosäteilyn
mittaamiseen
• Detektorit ovat rengasmaisesti potilaan ympärillä, yhdessä laitteessa
detektorirenkaita on 8 tai 16. Säteilyn tulee tulla havaituksi potilaan
molemmilta puolilta lähes samanaikaisesti, jotta säteilytapahtuma tulisi
rekisteröidyksi
• Säteilytapahtumat kerätään esimerkiksi 1-2 sekunnin summakuviksi, ja
näistä poikkileikkauskuvista tietokone yhdistää luettavissa olevan
kolmiulotteisen kuvan kuvattavasta kohteesta
• Kuvauslaite on suurikokoinen
ja se muistuttaa TT- ja MRI-laitteita
• Laitteessa pyöreä
suuaukko johon potilas asetetaan makaamaan
• Lääkärillä/hoitajalla on suora näköyhteys potilaaseen, lisäksi potilaalla on
korvillaan kuulokkeet joiden kautta häntä voidaan ohjeistaa
Merkkiaineet
• PET-kuvauksessa käytetyt radionuklidit (positroneja emissoivat
isotoopit) valmistetaan hiukkaskiihdyttimellä (syklotroni).
Käytettyjen isotooppien puoliintumisaika lyhyt joten valmistuksen
täytyy tapahtua lähellä käyttäjää
• Käytetyt isotoopit ovat fluori-18 (puoliintumisaika 120min), hiili-11
(p.a. 20min), happi-15 (p.a. 2min) ja typpi-13 (p.a. 10min), näillä
leimataan käytetty merkkiaine (esim. glukoosi, rasvahappo, vesi,
veren sokeri, aivotoiminnan välittäjäaineet )
• Tutkimuksessa käytetään yleensä merkkiaineena fluori-18:lla
leimattua fluorideoksiglukoosia eli FDG:tä, joka kuvastaa
glukoosiaineenvaihdunnan vilkkautta kuvattavassa kohteessa
• Neurologisissa tutkimuksissa yleisimmin käytetty merkkiaine on
hiili-11-metioniini (aminohappoaineenvaihdunnan kuvantaminen)
Käyttökohteet
• PET-kuvausta käytetään yksistään tai
tietokonetomografian kanssa:
– Kartoittamaan aivojen ja sydämen toimintaa
– Syöpien jäljittämiseen ja niiden levinneisyyden
selvittämiseen sekä syöpähoidon seurantaan
– Kuvaamaan verenkiertoa sydämessä ja arvioimaan
sydämen elinkykyisyyttä
– Tutkimaan aivojen toimintahäiriöitä mm. epilepsia,
skitsofrenia, dementia, Parkinsonin tauti
– Selvittämään lääkeaineen vaikutusta kohde-elimen
toimintaan tai aineenvaihduntaan
Kuvauksen kulku
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
PET-kuvaus kestää valmisteluineen 2-5h (itse kuvaus 0,5-2h), riippuen kuvauskohteesta ja käytetystä
merkkiaineesta.
Ennen tutkimusta:
Kuvausta ennen tulee olla syömättä vähintään 6 tuntia. Juoda saa vain vettä, lääkkeet otetaan
normaalisti.
Kevyttäkin ruumiillista rasitusta tulee välttää tutkimuspäivänä
Metalliesineet häiritsevät kuvausta, joten päälle tulee valita vaatteet joissa on mahdollisimman
vähän vetoketjuja, nappeja yms. Tarvittaessa sairaalalta saa kaavun kuvauksen ajaksi.
Tutkimuksen aikana:
Lihasten tulee olla rentona radiolääkettä annettaessa. Tämän vuoksi potilaan tulee maata
paikoillaan vähintään tunnin ajan ennen lääkkeen antamista.
Kuvauksen ajan potilas makaa selällään liikkumatta, tarvittaessa annetaan rentouttavaa lääkettä.
Potilas saa pitää vaatteet päällään lukuunottamatta metalliesineitä sisältäviä vaatteita (esim.
kaarituelliset rintaliivit, korut)
Tutkimuksen jälkeen:
Radiolääke ei vaikuta potilaan vointiin, ja se häviää elimistöstä vuorokauden kuluessa kokonaan.
Kuvauksen jälkeen on hyvä juoda runsaasti vettä radioaktiivisuuden vähenemisen nopeuttamiseksi.
Potilaan näkökulma
• PET-kuvaus on potilaalle yleensä kivuton, se koetaan harvoin
epämukavaksi, eikä sivuvaikutuksia juurikaan esiinny
• Merkkiainetta annettaessa:
1. Pistoksena neula saattaa aiheuttaa kipua ja aine epämukavaa kylmyyden
tunnetta pistoskohtaan
2. Niellessä lähes tai kokonaan mauton
3. Hengitettynä ei eroa tavallisen ilman hengittämiseen
• Joskus potilaan virtsarakkoon asetetaan katedri joka saattaa aiheuttaa
epämukavuutta
• Kuvauksen aikana potilaan tulee maata paikoillaan liikkumatta pienessä
tilassa, ahtaanpaikankammosta kärsivä saattaa kokea ahditusta
• Kuvauksen jälkeen potilas saa yleensä jatkaa elämäänsä normaaliin tapaan
sillä radioaktiivisuus poistu kehosta nopeasti, vettä kannattaa juoda
runsaasti prosessin nopeuttamiseksi
Hyödyt ja haitat
HYÖDYT
HUONOT PUOLET/RISKIT
o Menetelmällä saadaan kehon
rakenteesta ja toiminnasta
tietoa, jollaista muilla
menetelmillä ei saada
o Useille taudeille menetelmällä
löydetään sopiva hoitotapa
o Tarkempi kuin useat muut
tutkimusmenetelmät
o Havaitsemalla kehon
muutoksia solutasolla, PETkuvauksella huomataan tauti
ennen CT- tai MRI-kuvauksia
 Radioaktiivisen aineen säteily
(kuitenkin hyvin pieni)
 Allergiset reaktiot lääke- /
merkkiaineista mahdollisia, mutta
harvinaisia, ja mahdolliset reaktiot
lieviä
 Kuvauksen yhteydessä saattaa
potilaalla esiintyä nopeasti
häviävää kipua tai ihon punotusta
 Tutkimus on kallis (noin 600-1400€)
 Kuvaus suoritettava opeasti jotta
tulos olisi mahdollisimman
luotettava, sillä kuvauksessa
käytettävät radioaktiiviset aineet
hyvin lyhytikäisiä
Tulevaisuus
• Käyttö erityisesti lääketeollisuudessa
lisääntymässä
• Kehittelyssä olevat paremmat ilmaisimet
mahdollistavat paremman resoluution kuville
• Laskennallisten menetelmien kehitys parantaa
kuvan herkkyyttä
Hiukkasterapia
Hiukkasterapia yleisesti
• Hiukkasterapiaan kuuluvat protoni-, nopea neutroni- ja
raskas ioni terapiat
• Hoito voidaan kohdentaa tarkemmin haluttuun
kohteeseen, jolloin ylimääräiset vauriot terveeseen
kudokseen vähenevät vrt. röntgen/sädehoito
• --> paluu normaaliin elämään hoitojen jälkeen
nopeampaa ja helpompaa
• Käyetään vaikeasti tavoitettavien, tärkeitä elimiä lähellä
olevien kasvainten ja syöpien hoitoon
• perustuvat pääsääntöisesti ionisaatioon
• suhteellisen harvinaisia, mutta yleistymään päin
PROTONITERAPIA (PROTON THERAPY)
• Protoneita "ammutaan" haluttuun kohteeseen -->
vähemmän vaurioita terveeseen kudokseen
• http://www.proton-therapy.org/howit.htm
• Valikoiva solujen tuhoaminen:
- ns. pahat solut (esim. syöpäsolut) eivät
varautuneita muutoksille (ionisaatioon)
--> eivät palaudu
• Vaikuttaa solujen DNA:han
• n. 1/3 hoidoista USA:ssa ja n. 1/4 Japanissa
• syklotronien ja synkrotronien koko ja suuri hinta
yleistymisen tiellä
NOPEA NEUTRONI TERAPIA (FAST NEUTRON
THERAPY)
• Neutronisäteitä:
- suuri energisiä neutroneja, > 20 MeV
• Epäsuora ionisaatio:
-törmäys --> ns. toissijaiset elektronit -->
vaikutus
RASKAS IONI TERAPIA (HEAVY ION THERAPY)
• suuri järjestysluku; C,
Ne, Ar
• 2-3 kertaa tehokkaampi
lopputulos vrt. röntgen/gammasäteilyyn
• vaikeasti saavutettaviin
kasvaimiin
• ionisäde suoraan
kohteeseen
Lähteet
•
http://www.turkupetcentre.fi/index.php?option=com_content&view=frontpage&Itemid=1&lang=fi
•
http://en.wikipedia.org/wiki/Positron_emission_tomography
•
http://www.radiologyinfo.org
•
http://www.ppshp.fi/instancedata/prime_product_julkaisu/npp/embeds/7bf75e573107c90e9d5e560bd66de132d
0f8a0b1.pdf
•
http://yle.fi/vintti/yle.fi/akuutti/arkisto2009/100209_a.htm
•
http://www.med.nyu.edu/di/images/pet1.jpg
•
•
•
•
•
•
•
•
•
http://www.terveyskirjasto.fi/terveyskirjasto/tk.koti?p_artikkeli=ltt02688
http://www.proton-therapy.org/howit.htm
http://www.nlm.nih.gov/medlineplus/ency/article/007281.htm
http://en.wikipedia.org/wiki/Proton_therapy
http://en.wikipedia.org/wiki/Fast_neutron_therapy
http://www.sry.fi/index.php?65
http://www.mediuutiset.fi/uutisarkisto/article148272.ece?s=l&wtm=mediuutiset/-16102008
http://www.sry.fi/index.php?66
http://heavy-ion.showa.gunma-u.ac.jp/en/facilities01.html