Prace na rzecz medycyny w Instytucie Problemów Jądrowych - dokonania i zamierzenia

Transkrypt

1 THE ANDRZEJ SOŁTAN INSTITUTE FOR NUCLEAR STUDIES Świerk/Warsaw, Poland Prace na rzecz medycyny w Instytucie Problemów Jądrowych - dokonania i zamierzenia Ziemowid Sujkowski Instytut Problemów Jądrowych im. Andrzeja Sołtana Świerk sujkowsk@ipj.gov.pl; Ziemowid.Sujkowski@fuw.edu.pl Kielce, 6 maja 2005

2 1. Wstęp IPJ w liczbach 2. R & D na rzecz medycyny nano-dozymetria nowe detektory dla diagnostyki PET on-line w terapii hadronowej brachyterapia rentgenowska nowe urządzenia akceleratory terapeutyczne 3. Produkcja akceleratory terapeutyczne stoły terapeutyczne planowanie terapii, serwis drobne oprzyrządowanie 4. Szkolenie popularyzacja personel pomocniczy szkolenie 5. Zamierzenia, możliwości terapia w Świerku diagnostyka z izotopami krótkożyciowymi szkolenie ustawiczne

3 IPJ w liczbach IPJ, jako spadkobierca IBJ, obchodzi w tym roku 50-lecie (powstał w roku 1983 w wyniku podziału Instytutu Badań Jądrowych) Zatrudnia (osoby na dzień r.) 260 część naukowa 100 część produkcyjna (ZdAJ) 82 część usługowa (transport, ST, etc.) Razem ok. 442 osób 22 profesorów tytułowanych 21 doc. dr. hab. 65 pracowników naukowych (dr.) 20 doktorantów Razem 128 pracowników naukowych

4 Specjalności: fizyka cząstek elementarnych i pól fizyka jądrowa niskich i wysokich energii astrofizyka i fizyka promieniowania kosmicznego fizyka plazmy fizyka materii skondensowanej (metody jądrowe) Zagadnienia interdyscyplinarne: fizyka detektorów elektronika jądrowa akceleratory Zastosowania technik fizyki subatomowej: medyczne środowisko metody plazmowe problemy bezpieczeństwa, walka z terroryzmem

5 NANODOZYMETRIA Nanodozymetria Dla Brachyterapii wewnatrz-naczyniowej

6 COLLECTING ELECTRODE HOLE FOR RADIOACTIVE WIRE PMMA HV ELECTRODE GUARD - RING Komora pierścieniowa do pomiaru mocy dawki pochłoniętej od źródeł stosowanych w brachyterapii wewnątrznaczyniowej (u góry - przekrój komory).

7 Komora pierścieniowa podwójna do pomiaru aktywności źródła i nierównomierności rozkładu dawki pochłoniętej wzdłuż źródła.

8 Komora płaska, o objętości 0,2 cm 3 do pomiarów elektronowych.

9 Komora fajkowa do pomiaru wiązek elektronowych i protonowych.

10 MCNP DOSE DISTRIBUTIONS CALCULATIONS FOR 32P BRACHYTHERAPY WIRE SOURCE. INVESTIGATION THE CHANGES IN DOSE RATE PROFILE WHEN A PLAQUE IS PRESENT ON THE INSIDE WALL OF THE ARTERY Dos e rate [c Gy/s ] ,5 pl "without plaque" r [c m] The radial dose rate profile along a perpendicular bisector of the source axis with annular plaque of thickness 0,5 mm and without plaque (source length 2,7 cm source activity, 7GBq.).

11 MCNP DOSE DISTRIBUTIONS CALCULATIONS FOR 32P BRACHYTHERAPY W IRE SOURCE. INVESTIGATION THE CHANGES IN DOSE RATE PROFILE W HEN A PLAQUE IS PRESENT ON THE INSIDE WALL OF THE ARTERY. 1.0E+02 Dos e rate [c Gy/s ] 1.0E+01 w ith plaque w ithout plaque 1.0E Z [c m] The dose rate along the source longitudinal axis, at a depth of 1 mm into the artery wall with annular plaque of thickness 0,5 mm and without plaque (source lenght 2.7 cm, source activity 7 GBq) The relative statistical error depending of detector location is varying from to for run in which electron histories are completed in case of the radial dose distribution calculation. The error becomes almost constant on level of 0.04 for detectors located further than 0.72 cm from the source axis.

12 Badania podstawowe skierowane do zastosowania w radiacyjnych metodach stosowanych w medycynie (medycynie nuklearnej??) Motto: Należy podkreślić fakt, że techniki, idee i metody stosowane w badaniach podstawowych w fizyce nie mogą być przenoszone wprost w dziedzinę medycyny. Każde zastosowanie wymaga oddzielnego opracowania, które uwzględni: warunki kliniczne, komfort pacjenta, niezawodność i powtarzalność badań oraz ewentualne warunki potrzebne do przeprowadzenia terapii.

13 Radiacyjne metody medycyny Diagnostyka Teleradioterapia medyczna planarna rentgenografia (X-ray CT), jednofotonowa tomografia komputrowa, (SPECT Single Photon Emission Tomography), terapia nowotworowa z wykorzystaniem fotonow, elektronow, hadronow, ciezkich jader Pozytonowa Emisyjna Tomografia (PET Positron Emission Tomography)

14 Prace wykonywane w Świerku Badania podstawowe nad nowymi scyntylatorami i fotodetektorami Badania podstawowe nad nowymi technikami detekcyjnymi Transfer technologii do medycyny nuklearnej PRZYKŁADY: zastosowanie fotodiod lawinowych w detektorach dla PET opracowanie detektora nowej generacji dla in-beam PET, opracowanie fotopowielacza do zastosowania w TOF PET, konstrukcja (w fazie badan) nowego detektora, ktory pozwoli na rejestracje zarowno promieniowania X (CT) jak i gamma (511 kev) w celu budowy kamery PET/CT opartej na tym samym detektorze (obrazowanie wielomodowe???? Multimodality imaging)

15 PET Detector ring (inner diam. ~ 0.8 m) Collinearly emitted 511 kev quanta detected in coincidence Detectors BGO + PMT Bi 4 Ge 3 O 12 Radiopharmaceutical β + emitter

16 Badania nad nowymi krysztalami scyntylacyjnymi i detektorami swiatla w zastosowaniu do PET LSO Light guide PMT PMT Nowe scyntylatory: LSO, LuAP, GSO, LaBr 3, LaCl, MLS, LYSO, LGSO Fotopowielacze pikselowe, flat panel, poprawienie czulosci fotokatody, zmiana konstrukcji anody Hybrydowe fotodetektory (HPD) Fotodiody lawinowe pozycyjnie czule

17 PET detector LSO detector block 8 x 8 columns of 4 x 4 x 20 mm 3 Zastapienie PMT o niskiej wydajnosci kwantowej przez PMT o lepszej wydajnosci kwantowej I zmienionej konstrukcji anody Zamiast odczytu przy pomocy 4 PMT odczyt przy pomocy 1 PMT o 9 pikselach A B C D 4 PMTs 20 mm Zastapienie BGO przez LSO

18 Lepszy PET: TOF PET an localize source along line c = 1 foot/ns 500 ps timing resolution 8 cm localization of flight. ime of flight information D reduces noise in images. ariance Reduction Given by 2D/c t. 00 ps Timing Resolution Time of Flight Provides Huge Performance Increase! BGO Timing Resolution is Insufficient 5x Reduction for TOF in Variance! PET

19 Charged hadron therapy and PET 1970 th : In-beam PET at proton beams (BNL), Bennett et al th : In-beam PET with radioactive ion pilot beams (LBL), Llacer et al. 1994: 12 C therapy at HIMAC, Off-beam PET, Yoshikawa et al. Therapy facility At GSI Darmstadt 1997: 12 C therapy at GSI, In-beam PET, Enghardt et al. 2002: 11 C beam at HIMAC, In-beam PET, Urakabe et al.

20 developing optimal radiation detectors for in-beam positron emission tomography (PET) an imaging technique that is capable of monitoring the dose delivery in charged hadron tumor therapy In-beam PET APD array smaller scanner volume, high light sensitivity, one-to to-one one crystal coupling, insensitivity to magnetic field LSO:Ce high light yield, good energy resolution, short decay time

21 Projectile Before collision Positron radioactivity and dose: Carbon ions THEORY After collision 12 C 11 C Projectile fragment Atomic nucleus of tissue 16 O 15 O Neutrons Target fragment Activity density: ~ 200 Bq cm -3 Gy -1 Compare with tracer imaging: Bq cm -3, even 10 6 Bq cm -3 (mice PET) E = 212 AMeV E = 212 AMeV

22 POLSKA IGŁA FOTONOWA W Instytucie Problemów Jądrowych w Świerku, w ramach projektu badawczego KBN, opracowano polską wersję igły fotonowej (PIF), a następnie, w ramach projektu celowego, opracowano "Zestaw do radioterapii igłą fotonową". W skład Zestawu, poza igłą fotonową, wchodzą niezbędne elementy do testowania igły fotonowej przed zabiegiem radioterapii, oraz do prowadzenia zabiegu. Zestaw prezentuje nowoczesne rozwiązanie instrumentalne w którym, w celu zwiększenia niezawodności działania, operator jest na każdym etapie pracy prowadzony przez komputer. Zestaw został wdrożony do produkcji w Zakładzie Doświadczalnym Aparatury Jądrowej IPJ i obecnie trwa proces jego certyfikacji. Wykonano pierwszą sztukę informacyjną Zestawu i w czercu b.r. rozpoczną się badania kliniczne skuteczności leczenia PIF guzów nowotworowych mózgu.

23

24 a) b) c) d) a, b, c stacjonarna wiązka elektronów d wiązka elekronów przemiatana po targecie

25 Elementy do prowadzenia zabiegu radioterapii

26 Elementy kontrolne

27 System dozymetryczny do pomiarów rozkładów przestrzennych dawki z igły fotonowej

28

29 Naświetlanie: U a = 40 kv I a = 20 µa Pomiar rozkładu kątowego dawki folią Gafchromic czas naświetlania 40 min.

30 Polskie Akceleratory w Teleradioterapii - Historia i Przyszłość Sławomir Wronka, PTFM,

31 Nowotwory złośliwe są drugą pod względem częstości przyczyną zgonów w Polsce /po chorobach układu krążenia/.

32 W Polsce, choroby nowotworowe są obecnie przyczyną około 20% wszystkich zgonów, w tym około 40% zgonów u kobiet w wieku lat i 30% zgonów u mężczyzn w wieku lat. Dynamika wzrostu liczby zachorowań na nowotwory złośliwe w Polsce jest znacznie większa od dynamiki wzrostu liczby ludności i należy do najwyższych w Europie. W Polsce, w roku 1963 zarejestrowano zgonów, a w 1996 roku zgonów z powodu nowotworów złośliwych. Na podstawie: Polska Unia Onkologii

33 Na podstawie prognozy na rok 2010 można oczekiwać około 110 tysięcy zgonów w ciągu roku /~0.3% populacji/.

34 Leczenie operacyjne Chemioterapia Radioterapia 50% przypadków Terapia hormonalna Terapia genowa

35 Źródła używane w radioterapii nowotworów (dane z 2002 i 2003 roku) Region Bomby kobaltowe [szt] Akceleratory [szt] Łącznie źródła [szt] Ludność [mln osób] Na 1 źródło [mln osób] Ameryka Płn. (USA, Kanada) Europa Zachodnia ! Australia i Wsch. Azja (Japonia, Korea Płd., Tajwan, Malezja, Singapur) Europa Centralna i Wschodnia (z Rosją) Ameryka Łacińska Bliski Wschód Azja Płd-Wsch Afryka Razem świat Źródła: Międzynarodowa Agencja Energii Atomowej (Wiedeń), UN Population Information Network

36 Dla porównania: Region Bomby kobaltowe [szt] Akceleratory [szt] Łącznie źródła [szt] Ludność [mln osób] Na 1 źródło [mln osób] Polska Źródło: Raport Stan polskiej radioterapii na dzień prof. B. Maciejewski

37 Zakład Aparatury Jądrowej Otwock -Świerk

38 Historia akceleratorów medycznych w Świerku 1955 utworzenie Instytutu Badań Jądrowych 1975 Rządowy Program Walki z Chorobami Nowotworowymi 1976 zakup licencji akceleratora Neptun 10 od CGR (Francja)

39 Cel: Zakup akceleratora umożliwiającego leczenie jak najszerszego spektrum przypadków, w rozsądnej cenie.

40 1977 pierwsza instalacja Neptuna w Łodzi

41 Polski akcelerator 4MeV Co-line Pomyślany jako niedroga alternatywa bomb Co-60 Prace konstrukcyjne ukończone w 1991r. pierwszy egzemplarz zainstalowany w Łodzi

42 Do roku 2004 wyprodukowano: 100 akceleratorów 140 stołów terapeutycznych 31 symulatorów 5 mammografów

43 Zakład Aparatury Jądrowej PN-EN ISO 9001:2001, PN-EN 13485:2002 Wszystkie produkty spełniają wymogi norm bezpieczeństwa, a w szczególności (akceleratory) oraz (oprogramowanie) Pomiary fizyczne parametrów akceleratorów zgodnie z IAEA TRS 381/39

44 Znak CE ZdAJ jest gotowy, wystąpienie do PCBC w 2004r - czekamy na audyt

45 Nowy Polski Akcelerator 15 MeV

46 5 x S Safety Stability Software Service Satisfaction

47 Nowy Polski Akcelerator 15 MeV Zakończono badania uzyskiwanych parametrów wiązek (energii, mocy dawki) 5 wiązek e - w zakresie: MeV, 1 wiązka X ~9MeV Trwają prace nad przejściem od modelu do akceleratora medycznego

48 Linacs Elekta Precise, Sli, Sl 75, Siemens Primus, Varian Clinac.. ZdAJ Neptun, Co-line

49 DZIAL SZKOLENIA Szkolenie powszechne Szkolenie zawodowe Szkolenie ustawiczne Szkolenie hands on

50

51

52 5. Zamierzenia, możliwości 5.1. Terapia radiacyjna w Świerku W Polsce powstają: główne centra terapii onkologicznej wszechstronnie wyposażone w zaawansowane technologie i wysoką specjalizację lokalne centra satelitarne do terapii rutynowej W Świerku można bardzo tanio uruchomić takie centrum satelitarne. Przesłanki: istnieją bunkry (1/3 kosztów) akcelerator z najnowszym wyposażeniem (1/3 kosztów) symulator planowanie terapii serwis producenta lokale dla pacjentów po adaptacji klinika onkologiczna w Otwocku (zainteresowana, ale bez pieniędzy)

53 5.2. Diagnostyka W Świerku działa główny producent radiofarmaceutyków w Polsce POLATOM. Możliwe uruchomienie diagnostyki w oparciu o izotopy krótkożyciowe (niewykorzystywane obecnie) Dział Szkolenia i Doradztwa może się podjąć szkolenia personelu medycznego na dowolnym poziomie.