FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych

Transkrypt

1 FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych Wykład 11 Zastosowania fizyki jądrowej w medycynie

2 Medycyna nuklearna Medycyna nuklearna - dział medycyny zajmujący się bezpiecznym zastosowaniem izotopów promieniotwórczych w terapii oraz diagnostyce medycznej. Scyntygrafia - technika obrazowania Terapia izotopowa Dla potrzeb obrazowania wykorzystuje się rejestrację promieniowania gamma wyemitowanego przez izotopy promieniotwórcze. Radiofarmaceutyki - związki chemiczne znakowane izotopami promieniotwórczymi podane dożylnie, doustnie lub inhalacyjnie kumulują się w określonych organach i emitują promieniowanie rejestrowane przez zewnętrzne detektory.

3 Tomografia pozytonowa PET - Positron Emission Tomography Metoda otrzymywania obrazu przekroju poprzecznego ciała na podstawie wyznaczenia rozkładu radiofarmaceutyku znakowanego izotopem promieniotwóczym, który emituje pozytony.

4 Rozpad promieniotwórczy β+ Α Ζ X β Ζ Α Y 1 0 e 1 ν e p n e e pozyton neutrino elektronowe

5 Widmo energetyczne pozytonów w rozpadzie β + N(E) E kin.max. Zasięgi pozytonów i ich maksymalne energie Izotop Max. E pozytonu [MeV] Max. zasięg pozytonu [mm] 18 F C N O Ga Rb E

6 Anihilacja pozytonu i elektronu foton elektron pozyton foton Powstają 2 kwanty o energii 0,511 MeV każdy, lecące w przeciwne strony. 2m 0 c 2 2hν = MeV= kev

7 Układ do detekcji fotonów gamma z anihilacji; impuls na wyjściu pojawia się tylko przy równoczesnej detekcji fotonów przez oba liczniki.

8 Rozdzielczość obrazu Czynniki wpływające na lokalizację źródła: Anihilacja nie powstaje w miejscu wystąpienia rozpadu jądra, lecz w pewnej odległości, jaką przebył pozyton (ok. 1 mm) Kwanty powstałe w anihilacji lecą pod kątem tylko w przypadku, gdy elektron i pozyton były w spoczynku.w przeciwnym przypadku kąt ten podlegać może zróżnicowaniu rzędu 0.3 stopnia, co przykładowo dla pola widzenia systemu rzędu 60cm powoduje degradację jego rozdzielczości o 1.57mm

9 Najważniejsze znaczniki pozytonowe Izotop Czas połowicznego rozpadu t 1/2 [min] Maksymalna energia pozytonu E max [MeV] Metoda wytwarzania izotopu 11 C 20,3 0,96 cyklotron znaczniki organiczne 13 N 9,97 1,19 cyklotron 15 O 2,03 1,70 cyklotron 18 F 109,8 0,64 cyklotron 68 Ga 67,8 1,89 generator 82 Rb 1,26 3,15 generator 94 Tc 53 2,50 generator 122 I 3,6 3,10 generator 124 Tc 4,15 dni 2,10 generator Radiofarmaceutyk FDG zawierający 18 F

10 Izotopy dla PET

11 Rejestracja sygnałów w koincydencji linia odpowiedzi linia ruchu fotonów, LOR - Line Of Response źródło kalibracyjne Rejestracja fotonów w dwóch detektorach w przedziale 12 ns przyjmowana jest jako koincydencja rzeczywista.

12 Koincydencje fałszywe a) koincydencja prawdziwa b) koincydencja rozproszenia przeciwdziałanie wysoki próg dyskryminacji energetycznej c) koincydencja losowa przeciwdziałanie - wąskie okno koincydencyjne

13 Skanery PET PET-Scanner Firmy Siemens (ECAT) Skaner PET firmy General Electric Skaner PET Skaner PET Siemens/CTI 951

14 Terapia izotopowa Bomba kobaltowa Akcelerator medyczny

15 Akcelerator medyczny

16 Akcelerator medyczny

17 Akcelerator medyczny Elektrony emitowane z działa, przyspieszane w strukturze przyspieszającej Grupowanie elektronów związane z oscylacją składowej elektrycznej szybkozmiennego pola elektrycznego

18 Akcelerator medyczny tory elektronów filtr energii Układ odchylania wiązki o 270 0

19 Akcelerator medyczny Do terapii używa się wiązki elektronów lub promieniowania - wiązkę elektronów kieruje się na tarczę, gdzie powstaje promieniowanie hamowania komplikacje terapii promieniowaniem

20 średnia gęstość jonizacji Hamowanie hadronów w materii droga przebyta w absorbencie zasięg

21 Dlaczego wiązki jonów?

22 Dlaczego wiązki jonów?

23 Dlaczego wiązki jonów? Jon węgla deponuje w komórce około 23 razy więcej energii niż proton o tym samym zasięgu. Efekty naświetlania jonami komórek są jakościowo różne niż naświetlania fotonami i protonami: jony powodują więcej nieodwracalnych uszkodzeń DNA w jądrze komórki.

24 Rozpraszanie wielokrotne Zaniedbywalne rozproszenia poprzeczne dla jonów węgla

25 Zalety terapii ciężkimi jonami Wysoka dawka w tarczy niska w tkance zdrowej Precyzyjne leczenie (milimetrowa dokładność) Monitoring on-line z pomocą PET Zwiększona skuteczność biologiczna w obszarze piku Bragga Zróżnicowanie skuteczności biologicznej dla różnych komórek

26 Dostosowanie wiązki do pacjenta: pasywne kształtowanie wiązki -system przesłon i filtrów Chiba i Hyogo (Japonia) aktywne kształtowanie wiązki raster scanning GSI, Heidelberg (Niemcy)

27

28

29 Monitoring on-line z pomocą PET 11 C 11 B e e e e

30 Monitoring on-line z pomocą PET

31 Monitoring on-line z pomocą PET

32 Monitoring on-line w terapii jonami węgla w GSI Darmstadt kontrola zasięgu wiązki weryfikacja położenia pola naświetlania detekcja rozbieżności między planowanym a rzeczywistym leczeniem kontrola przebiegu kolejnych sesji

33 Fragmenty jądrowe w terapii wiązkami jonów węgla Wiązka wysokoenergetycznych jonów węgla w wodzie. Terapia jonami węgla MeV/u.

34 D. Schardt

35 Leczenie ruchomych organów

36

37

38

39 Ośrodki terapii wiązkami jonów HIMAC Chiba (Japonia) pacjentów od 1994 r. Heavy Ion Medical Centre Hyogo Ion Beam Medical Center Hyogo (Japonia) 150 pacjentów od 2002 r. Heavy Ion Research Facility Lanzhou (Chiny) 27 pacjentów od 2006 r. GSI Darmstadt (Niemcy) ponad 300 pacjentów od 1997 r.

40 HIT - Heidelberg Ion Therapy Ion- Sources Synchrotron High Energy Beam Transport Line Quality Assurance LINAC Gantry Treatment Places Quelle: Stern

41 Synchrotron

42 1. Rotation at Gantry

43 HIT Heidelberg Ion Therapy Location in Heidelberg

44 HIT Pierwszy pacjent - zima 2007/8