Techniki Jądrowe w Diagnostyce i Terapii Medycznej

Transkrypt

1 Techniki Jądrowe w Diagnostyce i Terapii Medycznej Wykład 12, 26 maja 2015 Zygmunt Szefliński Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów szef@fuw.edu.pl

2 Od fizyki wysokich energii do fizyki jądrowej Obliczenia i analiza danych Protokół www stworzony w CERN (1989) Monte Carlo kody transportu: FLUKA i GEANT GRID sieć obliczeniowa stworzona dla obróbki dużej ilosci danych z LHC Akceleratory ACCEL Instruments nadprzewodzące magnesy (transfer technologii z CEA Sacley i CERN dla LHC) Detektory Komory wielodrutowe (Charpak), detector y gazowe, nowe scyntylatory CERN pierwszy protokół www Koordynacja wielkich projektów CMS skupia 4300 fizyków, inżynierow i techników 250 MeV Comet first superconducting cyclotron for proton therapy (ACCEL)

3 Fizyka dla tererapii jonowej dokąd idziemy Akceleratory i gantry - Nadprzewodzące cyklotrony!!! - Acceleratory sterowane laserem? Pozycjonowanie i weryfikacja - Weryfikacja dawki za pomocą PET - Tomografia protonowa Dozymetria i kontrola jakości - Dozymetria 2D i 3D Robert R. Wilson, 1946

4 Range/ cm Akceleratory jakiej energii wiązki potrzebujemy? 100 proton tomography arbitrary organ 10 eye 1 1. E: 60 MeV- 350 MeV 2. I: 1 na na Energy/MeV

5 Dedykowane akceleratory dla terapii protonowej Zasada działania cyklotrony synchrotrony synchrocyklotrony B= const f = const d ~ 4-5 m P = 500 kw B= var f = var d ~ 20 m P = kw B= const f = var d ~ m P = 50 kw

6 Dedykowane akceleratory dla terapii protonowej Przykłady IBA Proteus C-235 cyklotron IFJ PAN, Krakow Beam energy: MeV Classical magnets Electrical power: 650 kw Hitachi synchrotron MD Anderson, Huston Beam energy MeV Beam pulse: s

7 Dedykowane akceleratory dla terapii protonowej Nowe rozwiązania 1. Nadprzewodzący synchrocyklotron - Proteus-One z małym gantry IBA - MEVION -Medical. 2. Akcelerator z dielektrycznymi scianami - w opracowaniu IBA, Nice, Dec Acceleratory sterowane laserem - demonstracja zasad fizycznych MEVION at the S. Lee Kling Center for Proton Therapy at Barnes-Jewish Hospital, Dec. 2013

8 Dedykowane akceleratory dla terapii protonowej Generacja wiązki protonowej impulsami laserowymi Victor Malka, COULOMB 09, ICFA workshop, June 8-12 (2009) Laser intensity in pulse: W/cm 2, Electrical field induced by ejected electrons: V/m Proton energy: MeV

9 Dedykowane akceleratory dla terapii protonowej Pierwsze rezultaty V. Malka et al., Appl. Phys. Lett. 83, 15 (2003), Med. Phys. 31, 6 (2004) Robson et al., Nature Physics 3 (2007) Jest : szeroki rozkład widmowy Trzeba : MeV, monoenergetyczne

10 Słabe strony terapii protonowej - niepewność zasięgu Niejednorodność tkanki prowadzi do niepewności zasięgu. Zdolność hamująca zależy od energii protonów.

11 Niepewność zasięgu - kalibracja z użyciem DECT 1. Proton Stopping Power Ratio, SPR, scaled vs. HU 2. HU są związane z gęstością elektronową, SPR to potencjał jonizacyjny 3. SPR nie jest jednoznaczną funkcją HU Rozwiązanie: redukcja niepewności przy użyciu Dual Energy Computer Tomography (DECT)

12 Niepewność zasięgu weryfikacja z użyciem indukowanej radioaktywności b + Tomograf PET mierzy indukowaną protonami aktywność b + w tkance

13 Niepewność zasięgu weryfikacja z użyciem indukowanej radioaktywności b + Cross section for induction of b+ isotopes by protons in tissue does not overlap with the energy deposition (Bragg peak) Therefore depth distribution of induced activity does not mimic the Bragg peak. The distal edge of the Bragg peak can be assessed. J.J.Beebe-Wang, 2002

14 Niepewność zasięgu weryfikacja z użyciem bezpośrednich kwantów gamma Monte Carlo simulations B. Kang, J. Kim, IEEE Nucl. Sci. 2009

15 Terapia protonowa w Krakowie

16 Czerniak oka: - Nowotwór złośliwy, - Rośnie w gałce ocznej - Głównie w populacji białych, Czerniak oka Radiotrapia protonowa oka najskuteczniejsze leczenie wyleczenia > 90% W Europie 7 centrów PT oka - Berlin, HMI, D - Catania, INFN, I - Orsay, Inst. Curie, F - Nice, F - Claterbridge, UK - PSI Villigen, CH - IFJ PAN Kraków, PL Eye melanoma cancer USG of eye cancer

17 Metoda naświetlań oka protonami T. Kajdrowicz, M. Bajer Ocular Treatment Planning System Eclipse First ocular code with FDA approval

18 Cyklotrony w IFJ PAN - first cyclotron developed in Poland, 48 cm (1955) -Soviet built classical U-120 (opened , stopped 1994), 12 MeV deuterons -isochronic AIC-144 developed at IFJ PAN (from 1995) 60 MeV protons - IBA Proteus C MeV protons (start of operation Dec 2012) AIC -144, 1995

19 IFJ PAN pokój terapii oka Therapy room developed at IFJ in collaboration TJwDTM with - Helmholtz Wykład 12 Centre, Berlin

20 a. u. a.u. Parametry wiązek do terapii oka 1,1 1,0 0,9 0,8 27,8 mm 28,15 mm 28,27 mm ,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 FWHM = 2,94 mm Max/Plateau = 4,97 29,08 mm 0, range in H 2 O [mm] 25,75 mm (90%-10%)=0,71 mm ,06 mm 1,18 mm 1,19 mm distance [mm] PT centre Range [mm] Max/plateau F.W.H.M. [mm] Distall fall-off d 90%-10% [mm] CATANA CCO PSI IFJ

21 Regularne terapie oka od kwietnia 2013 The first patient treated in February 2011 From April 2013 the eye proton therapy financed by the National Health System 50 patients treated till April 2014

22 Polska w Unii Europejskiej Wejście do UE 1 Maja, 2004 W latach mld. przeznaczono na unowocześnienie infrastruktury w ramach Funduszy Strukturalnych 1.3 mld. na infrastrukturę w nauce i technologii

23 Narodowe konsorcjum Radioterapii Hadronowej NCRH Założone: IFJ PAN Kraków coordinator Akademia Górniczo-Hutnicza Center of Oncology, Gliwice Center of Oncology, Krakow Center of Oncology, Poznań Center of Oncology, Warsaw Collegium Medicum UJ, Kraków Holycross Center of Oncology, Kielce Jagiellonian University, Kraków Medical University, Warszawa, National Center of Nuclear Research, Warsaw Silesia University Warsaw Polytechnic Warsaw University

24 Project of the National Centre of Hadron Radiotherapy- Bronowice Cyclotron Centre (NCRH -CCB) Part 1 Cyclotron : - building + Proteus C-235 cyclotron - funds: ~ 27 M - the project ready till Dec vendor: contract signed with Ion Beam Application (IBA), Belgium Part 2 Gantry - medical building + 2 proton gantries - funds: ~ 33 M - project signed in Nov Gantry 1 ready in May Gantry 2 in Sept Signing the contract for the Part 1 IFJ PAN IBA 2 August 2010

25 Harmonogram budowy NCRH CCB - signing of the contract start of the construction installation of the C-235 cyclotron acceptance tests medical building and gantry installation of gantry end of the contract

26 Cyklotron dla NCRH- CCB

27 Schemat pomieszczeń NCRH-CCB Centrum Cyklotronowe Bronowice rzut partru Gantry 2 Gantry 1 Eye treatment Exp. area Cycl o vault Medical building Utility rooms Laboratories

28 Cyklotron i selektor energii Ion Beam Applications S.A. (IBA), Louvain-la-Neuve, Belgium cyclotron: isochronic, 4-sectors, CW particles ion source: protons P.I.G with hot cathod proton energy: 230 MeV (b = 0.596, g = 1.245), constant energy dispersion: E/E < 0.7% beam intensity: emmitance 600 na (4 x p/s) 0.1 na (6 x 10 8 p/s) horizonthal - 11 p mm mrad,

29 Selector energii protonów Energy selector MeV E/E < 1 % Beryllium absorber for changing the beam energy

30 System rozprowadzenia wiązki

31 Gantry IBA w IFJ PAN BG2 Source Axis Distance SAD-X mm SAD-Y mm BG1 Radius of the bending magnet: r = mm Range (g.cm - B1G2 B2G2 Energy (MeV) 2 ) Current (A) Field (T) Current (A) Field (T)

32 Stanowiska gantry realizacja Pomieszczenie gantry w NCRH-CCB Spot scanning: stop & shoot Proton range: 0 do 32 g/cm 2 2 spot sizes : σ = 2.7 mm i σ = 4 mm Volumetric repainting Maximal field: 30 x 40 cm 2 Gantry rotation degrees of freedom of the positioning system

33 Aktywne sterowanie wiązką wiązka skanująca

34 Wiązka rozproszona vs. skanująca Proximal doses for scattered beam much higher than for scanned beam

35 Wiązka skanująca mniejsze dawki od rozproszonego promieniowania Robert Kaderka, Ph.D Thesis, GSI, 2011 For scanning proton beam the doses for distant organs due to scattered radiation are 2-3 orders of magnitude lower than for MV X-rays

36 Nowy pokój terapii oka - New isocentric, user friendly, robotic chair - No limitations of energy (range) - Improved positioning Model 3D linii terapii oka

37 Start in October per gantry after 3-4 years of operation 100 eye melanoma patients/year Our clinical parters: Praca kliniczna University Hospital, Kraków Center of Oncology, Kraków Members of NCRH consortium Our waiting room for children- who will find more animals?

38 Projekty w Warszawie i Poznaniu Warsaw: Institution: Warsaw Medical University Localisation: Ochota Campus Facility: 12C + p Statuts: proposals prepared and submitted Poznan: Institution: Wielkopolskie Centrum Onkologii Localisation: Campus Morasko Facility: proton facility Statuts: letter of intention signed place available, ready before 2020

39 Radioterapia protonowa w Europie, PT+GANTRY Existing centres 1. Orsay 2. PSI Villigen 3. DKFZ Heidelberg 4. Munchen 5. PTC Prague 6. Essen In construction : 6 centers 1. Dresden 2. Krakow 3. Trento 4. Uppsala 5. Pavia 6. Wiener Neustadt 26.V.2015 TJwDTM - Wykład 12