Techniki Jądrowe w Diagnostyce i Terapii Medycznej

Transkrypt

1 Techniki Jądrowe w Diagnostyce i Terapii Medycznej Wykład 12 6 czerwca 2017 Zygmunt Szefliński Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów szef@fuw.edu.pl

2 Podsumowanie

3 Prawo rozpadu promieniotwórczego Rozpady obiektów nietrwałych podlegają statystycznemu prawu, które można zapisać w postaci; N Rozwiązanie: N t N N 0 e t Rozwiązanie po zlogarytmowaniu: dn dt N ln N ln N0 t

4 Prawo rozpadu promieniotwórczego ln N ln N0 t Krzywa rozpadu promieniotwórczego w skali logarytmicznej

5 Aktywność źródła Aktywnością promieniotwórczej próbki nazywamy liczbę rozpadów, zachodzących w jednostce czasu. Jednostki aktywności to:1ci - 1 kiur 1 Ci= rozpadów na sekundę, oraz znacznie mniejsza jednostka: 1Bq = 1bekerel = 1 rozpad na sekundę.

6 Rozpad

7 Przemiana Widmo promieniowania emitowanego w rozpadzie z nuklidu 60 Co, obserwowane w detektorze Ge(Li)

8 Lampa rentgenowska dla promieniowania niskich i średnich energii

9 Filtracja Zmiana ILOŚCI FOTONÓW & Zmiana JAKOŚCI WIDMA Widmo bardziej twarde (wyższe energie) 1- Widmo z anody 2- Po okienku lampy RTG (INHERENT filtration) 3- Po DODATKOWEJ filtracji

10 Zmiany osłabienia w funkcji liczby atomowej ośrodka

11 Oddziaływanie fotonów, zależność od energii Obszar terapeutyczny Promieniowania X

12 Zasada działania skanera CT

13 Obrazowanie w medycynie nuklearnej Znacznik- izotop radioaktywny, często 99m Tc Ligand- nośnik (wektor) Radiofarmaceutyk Znacznik + ligand Gamma Kamera

14 Tc generator T 1/2 ( 99 Mo) = 66h T 1/2 ( 99m Tc) = 6h

15 Kolumna z zaadsorbowanym na trójtlenku glinu (Al 2 O 3 ) molibdenianem sodu 99 Generator molibdenowo - technetowy Fiolka z podciśnieniem Fiolka z wodą

16 Budowa kamery Gamma Układ rejestracji promieniowania w Kamerze Gamma

17 Fotopowielacze w Kamerze Gamma PMT 6.VI.2017 TJwDTM - Wykład 12

18 Detekcja fotonów Scyntylatory i fotopowielacze

19 Rola kolimatora w Kamerze Gamma

20 Dane emisyjne: Projekcje aktywności (dr Mikołajczyk PW) Sinogram r r r Projekcja(r, ) GE Advance, 2D : 336 kątów r: 281 punktów

21 Obrazy z Kamery Gamma

22 Nowotwór tarczycy (GK scan)

23 Skan układu kostnego (SPECT)

24 Rozpad + Z Z - 1 Pozytonium

25 Pozyton - odkrycie 1928 Dirac postuluje istnienie czastki o masie elektronu i diodatnim ładunku Anderson odkrywa pozyton

26 Anderson 1932 Pierwsza fotografia toru pozytonu w komorze Wilsona zarejestrowana przez Andersona 2 sierpnia 1932 roku

27 detektory Linia odpowiedzi (LOR) detektory

28 Jak powstaje obraz PET

29 ( 18 F) (C 6 O 5 FH 11 )

30 Własności promieniowania jądrowego

31 Podstawy fizyczne NMR Moment magnetyczny (protonu) wykonuje precesję w polu magnetycznym Moment pędu (bąka) wykonuje precesję w polu grawitacyjnym p t mgr L

32 Orientacja jąder w polu B. Kliniczne skanery MRI używają pól z zakresu 0,1 do 3 T. Pole magnetyczne Ziemi to ok. 50 μt. Pewne jądra są zorientowane równolegle, ale część jader antyrównolegle względem kierunku pola magnetycznego B. E 1, ev dla B=1T

33 Idea Tomografii MR Paul C. Lauterbur & Peter Mansfield Nagroda Nobla 2003 w dziedzinie medycyny i fizjologii The instrument on which Lauterbur performed this critical experiment was a Varian A-60 NMR (1973) spectrometer capable of detecting protons at 60 MHz. That very same instrument is in a permanent display in the lobby of the Graduate Chemistry building University of Illinois.

34 Idea Tomografii MR Uproszczony proces obrazowania MR Molekuła wody - dwa atomy wodoru

35 Podstawowe równanie Częstość precesji protonu, ważna w technice NMR charakteryzuje się częstością kołową zwaną częstością Larmora. Jest określona przez stosunek żyromagnetyczny jądra wodoru (protonu) i ma wartość =2.68x10 8 rad/(s T). To oznacza mln. precesji na sekundę, gdy jadro wodoru jest umieszczone w polu magnetycznym o indukcji 1 Tesli. Częstość precesji opisuje równanie: = B o gdzie: - częstość precesji - to stosunek żyromagnetyczny B o - indukcja pola magnetycznego.

36 Dwa stany energii Dwie orientacje momentów magnetycznych odpowiadają dwu stanom kwantowym o energiach różniących się o ΔE. Większość jader zajmuje stan o niższej energii, ale niektóre stan antyrównoległy o wyższej energii. Obsadzenie stanu o wyższej energii jest nadzwyczaj słabe, stosunek obsadzeń to mniej niż 0.001%. Jednakże to wystarczy aby użyć NMR! Ta różnica energii jest powiązana z częstością precesji równaniem: ΔE = h gdzie h stała Plancka, f - częstość precesji związana z częstością Larmora, ω, relacją: ω = 2π

37 Rola gradientu pola B Częstotliwości rezonansowe zmieniają się na kolejnych płaszczyznach prostopadłych do osi z. Dla wzbudzeń w wybranej płaszczyźnie potrzebujemy częstotliwości opisanej równaniem: f = γ B o. Nazywamy takie podejscie: slice selective excitation

38 Lokalizacja przestrzenna sygnałów NMR Rejestracja : amplitudy, częstotliwości i fazy sygnału Analogia z pianinem: Rejestracja częstotliwości wskazuje na miejsce generacji rejestrowanego sygnału. Dyskryminacja częstotliwości lokalizacja przestrzenna sygnału. 3D przypadek jest bardziej skomplikowany. Częstotliwości RF mogą zależeć od pozycji dzięki gradientowi pola magnetycznego (cewki gradientowe). Faza sygnału również zależy od miejsca emisji.

39 fmri - podstawy Od 1890 roku wiadomo, że przepływ krwi i jej natlenienie (hemodynamics) są ściśle związane z aktywnością neuronów. Wzrost przepływu krwi w kapilarach zasilających neurony jest opóźniony o 1-5 s. Blood-Oxygen-Level Dependent (BOLD) jest kontrastem deoxyhemoglobiny we krwi stosowanym w technice MRI. Kontrast odkryty został w 1990r przez Seiji Ogawę *, który zauważył potencjał BOLD-u dla funkcjonalnego obrazowania mózgu z MRI. * Ogawa, S., Lee, T.M., Nayak, A.S., and Glynn, P. (1990). "Oxygenation-sensitive contrast in magnetic resonance image of rodent brain at high magnetic fields". Magn Reson Med 14: 68-78

40 Rola kontrastu Kontrast taki jak tlenek żelaza otulony cukrem lub skrobią (aby chronić przed systemem obronnym organizmu), powoduje lokalne zaburzenia pola magnetycznego rejestrowane przez skaner MRI. Sygnały związane z tym rodzajem kontrastu są proporcjonalne do objętości krwi mózgowej. Jest to jednakże metoda semiinwazyjna, choć jej czułość jest znacznie wyższa niż w metodzie BOLD.

41 Korelacje z kontrastem BOLD Aktywność neuronów CBF (cerebral blood flow) Tempo metabolizmu Aktywność elektryczna (potencjał pola elektrostatycznego) Obecność niektórych neuroprzekaźników

42 Aparatura dla fmri

43 Podstawowe eksperymenty fmri ustalenie ruch kciuka czas

44 Teleradioterapia Typowo fotony lub elektrony są kierowane z różnych kierunków, aby sumować dawkę w obszarze docelowym minimalizując dawki poza obszarem docelowym

45 Akcelerator liniowy i schemat teleradioterapii (radioterapii zewnetrznej) from from

46 Akcelerator liniowy (liniak)

47 1. Źródło elektronów o energii dziesiątków kev 2. Struktura akceleracyjna 3. Magnetron jako źródło fali elektromagnetyc znej 4. Cyrkulator 5. Filtr zapewnia równomierny rozkład wiązki 6. Kolimator 7. Komora jonizacyjna Liniak Megavoltowy

48 Komplikacje przy terapii kierunek emisji Photons Czy może Protons być lepiej? Poziom dawki Obszar nowotworu

49 Rozkłady dawek dla wybranych wiązek

50 Pożytek z naświetlań hadronami kwanty Photons protony lub jony C Protons

51 Technika rastrowa skanowania nowotworu

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

53 Cyklotron dla NCRH- CCB

54 System rozprowadzenia wiązki

55 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

56 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 6.VI.2017 TJwDTM - Wykład 12

57 Ruch organów, jak uwzględnić? Oddychanie pacjenta After Martin von Siebenthal, Phillipe Cattin, Gabor Szekely, Tony Lomax, ETH, Zurich and PSI, Villigen 4D-CT derived from 4D- MRI

58 Wymagania kliniczne, szybkie, 4D-CT nowotwór płuc pozycja zaburzona przez oddychanie 4D-CT F. Pönisch et al., OncoRay Dresden