Laboratorium mikrowiązki promieniowania rentgenowskiego

Transkrypt

1 Laboratorium mikrowiązki promieniowania rentgenowskiego Prezentacja układu do naświetlań komórek biologicznych Sebastian Bożek

2 Plan referatu 1. Motywacja badanie wpływu niskich dawek promieniowania jonizującego na organizmy żywe - hipoteza liniowa i hormeza radiacyjna 2. Układy mikrowiązkowe - układ mikrowiązki jonowej w IFJ PAN 3. Laboratorium mikrowiązki rentgenowskiej - parametry źródła promieniowania i układu ogniskującego - parametry zogniskowanej wiązki - podgląd komórek układ mikroskopu optycznego - hodowla komórkowa - testy precyzji naświetlań

3 Hipoteza liniowa Przedstawia liniową zależność wielkości negatywnych skutków od dawki również w zakresie niskich dawek. Hiroszima, 6 sierpnia 1945

4 Hormeza radiacyjna Zakłada brak szkodliwości, a nawet korzystny wpływ niewielkich dawek promieniowania. Ewa Curie tabletka dziennie przez rok 365 tabletek w ciągu jednego dnia Radon mine

5 Układy mikrowiązkowe Naświetlanie a) klasycznym źródłem b) układem mikrowiązkowym Układy mikrowiązkowe umożliwiają precyzyjne naświetlanie z kontrolą deponowanej dawki. Obecnie na świecie funkcjonują mikrowiązki - jonowe (protony, cząstki alfa lub ciężkie jony) - elektronowe - rentgenowskie (z wykorzystaniem synchrotronu lub lampy rentgenowskiej)

6 Układ mikrowiązki jonowej w IFJ PAN Układ mikrowiązki jonowej działa w oparciu o akcelerator liniowy typu Van de Graaffa. Napięcie przyspieszające: 2.5 MV Wykorzystywane cząstki to jądra wodoru lub helu Działanie układu i wyniki badań opisane zostały w publikacjach oraz pracach doktorskich [1] O. Veselov, W. Polak, R. Ugenskiene, K. Lebed, J. Lekki, Z. Stachura, J. Styczeń, Development of the IFJ Single Ion Hit Facility For Cells Irradiation, Radiation Protection Dosimetry [2] Wojciech Polak - "Badanie reakcji komórek po naświetleniu pojedynczymi jonami, praca doktorska, [3] Oleksandr Veselov - "Irradiation of cells with targeted ions using optical automatic recognition

7 Cząstki naładowane vs promieniowanie fotonowe Promieniowanie fotonowe ma inną gęstość jonizacji i inny charakter oddziaływania z materiałem. W medycynie w czasie zabiegów diagnostycznych najczęściej stosowane jest promieniowanie fotonowe. Mikrowiązki rentgenowskie budowane są najczęściej na liniach synchrotronowych. Istnieją również niezależne układy wykorzystujące lampę rentgenowską. Jednym układów wykorzystujących lampę rentgenowską jest układ mikrowiązki rentgenowskiej w IFJ PAN, który jest układem komplementarnym do działającej mikrowiązki protonowej.

8 Laboratorium mikrowiązki rentgenowskiej

9 Lampa rentgenowska [Hamamatsu]

10 Pomiary zdolności rozdzielczej źródła

11 Ogniskowanie wiązki Układ zwierciadeł wielowarstwowych typu Kirkpatricka-Baeza [Rigaku] a) b) Zwierciadła Rigaku a) układ oryginalny b) układ po modyfikacjach, umożliwiający zdalny ruch zwierciadeł w płaszczyźnie prostopadłej do osi wiązki 2d sinθ = nλ Warstwy Cr / C Grubość 3 / 1.5 nm opymalizowane dla linii Ti Ka 4.5 kev

12 Układ ogniskujący zasada działania Obraz wiązki w kamerze CCD pojedyncze odbicie Wiązka Bezpośrednia (direct beam) podwójne odbicie (ognisko) prostopadłość kąt Bragga przesłona Rejestracja obrazu wiązki kamerą CCD [Photonic Science] kąt Bragga

13 Pomiary średnicy zogniskowanej wiązki Wykorzystano tzw. Metodę noża (knife edge method) X=1.0 X=2.0 2 mm Funkcję ostrej krawędzi pełni cienka miedziana folia z bardzo precyzyjne wyprofilowanym otworem.

14 Wyznaczenie rozmiaru ogniska Otrzymana w wyniku przesłaniania krzywa y jest splotem funkcji Gaussa i funkcji skoku jednostkowego. y P1 x P2 y = 1+ erf + 2 P3 P4 P1 intensywność wiązki P2 położenie maksimum piku P3 szerokość piku P4 poziom odniesienia (tło)

15 Średnica ogniska w funkcji odległości od zwierciadeł

16 Pomiary widma Parametry detektora [Amptek] Zdolność rozdzielcza: 149 ev Wydajność detekcji (~0.97 dla energii 4.5 kev) Intensywność ogniska Widmo dla prądu targetu 2,2 ua Przy zamkniętej migawce średnia częstość zliczeń wynosi N0 = 0.25 ± 0.07 /s

17 Obraz wiązki w scyntylatorze Materiał scyntylatora - 4 um warstwa fosforu P43-2 um pokrywającej warstwy aluminum

18 Układ mikroskopu optycznego Mikroskop [Qioptiq] zmotoryzowany zoom i focus poprzeczne źródło swiatła [Schott] field-of-view (zoom): 16:1 rozdzielczość: 900 lp/mm Kamera [Watec] rozdzielczość 640x480 px zapis 25 klatek / sekundę Obraz komórek Obraz wzorca

19 Przesłona dozująca (migawka, shutter) Minimalny czas otwarcia migawki to ok. 120 ms. Dawka zostanie wyznaczona w oparciu o symulacje metodami Monte Carlo.

20 Hodowla komórkowa Komórki nowotworowe linii MG63 (kostniakomięsak) na folii Mylarowej Szalka hodowlana Szalka Petriego (średnica 35 mm) Z otworem o średnicy ok. 10 mm Pokryta folią Mylarową o grubości 1.5 um Na folii Mylarowej godzin przed eksperymentem wysiewane są komórki (10 4 komórek w 4 ul medium)

21 Testy precyzji naświetlań Precyzyjne pozycjonery zapewniają dobrą powtarzalność układu. Naświetlaniu poddane zostały stomatologiczne klisze rentgenowskie. Powiększenie rozmiaru wiązki jest najprawdopodobniej wynikiem rozproszeń promieniowania na opakowaniu kliszy i długiego czasu naświetlania. Napięcie anodowe 20 kv Prąd targetu 21 ua Czas naświetlania pojedynczego refleksu s

22 Testy precyzji naświetlań Program kontrolujący ruch pozycjonerów [Labview] umożliwia również naświetlanie według ściśle określonej trajektorii. Kolejne współrzędne pozycjonerów definiowane są w oddzielnym pliku tekstowym. Przykładowy eksperyment Kolejne współrzędne pozycjonerów Czas naświetlania pojedynczego punktu 40 sekund

23 Testy precyzji naświetlań Wynik

24 Zespół badawczy IFJ PAN, Zakład Spektroskopii Stosowanej (NZ52) Kierownik tematu prof. dr hab. Wojciech Kwiatek Pracownicy dr Anna Wiecheć dr inż. Janusz Lekki dr Zbigniew Stachura Doktoranci mgr Ewelina Lipiec mgr Jakub Bielecki mgr inż. Sebastian Bożek

25 Podziękowania prof. dr hab. Paweł Olko dr inż. Jan Swakoń inż. Roman Hajduk mgr inż. Henryk Doruch mgr inż. Michał Sienkiewicz mgr inż. Jacek Świerblewski inż. Artur Sroka mgr Joanna Kowalska, Joanna Wiltowska-Zuber Zuber, Danuta Krzysztoń,, mgr Erazm Dutkiewicz, Zbigniew Szklarz, Tomasz Pieprzyca

26 Podziękowania Collegium Medicum UJ, Wydział Farmaceutyczny prof. dr hab. Jan Krzek prof. dr hab. Joanna Szymura-Oleksiak dr Wojciech Jawień oraz Koleżanki i Koledzy z Zakładu Farmakokinetyki i Farmacji Fizycznej CM UJ

27 Dziękuję za uwagę