SYMPOZJUM XX - LECIE FIZYKI MEDYCZNEJ NA ŚLĄSKU

SYMPOZJUM XX - LECIE FIZYKI MEDYCZNEJ NA ŚLĄSKU 6-7 czerwiec 2014 Katowice, Chorzów

Redakcja Zofia Drzazga, Anna Michnik, Izabela Schisler Zakład Fizyki Medycznej, Instytut Fizyki im. A. Chełkowskiego, Uniwersytet Śląski Uniwersytecka 4, 40-007 Katowice 75 Pułku Piechoty 1A, 41-500 Chorzów

HONOROWY PATRONAT JM Rektor Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach Prof. zw. dr hab. Wiesław Banyś JM Rektor Śląskiego Uniwersytetu Medycznego w Katowicach Prof. dr hab. n. med. Przemysław Jałowiecki Dyrektor Centrum Onkologii Instytut im. Marii Skłodowskiej-Curie Oddział w Gliwicach Prof. dr hab. n. med. Bogusław Maciejewski Polskie Towarzystwo Fizyki Medycznej Oddział Śląski 1

Komitet Organizacyjny Armand Cholewka Zofia Drzazga Tomasz Iwanicki Karina Maciejewska Anna Michnik Izabela Schisler Krzysztof Ślosarek Elżbieta Zipper 2

Program Sympozjum XX-lecia Fizyki Medycznej na Śląsku 6-7. 06. 2014 6.06.2014 Instytut Fizyki im. A. Chełkowskiego, Katowice, ul. Uniwersytecka 4 10:45-11:15 Rejestracja 11:15-11:25 Rozpoczęcie, powitanie gości i uczestników 11:25-11:35 Jak to się zaczęło - Prof. zw. dr hab. Elżbieta Zipper 11:35-12:00 Jak to trwa - Prof. zw. dr hab. Zofia Drzazga 12:00-12:45 Jak widzę Fizykę Medyczną - Przedstawiciele władz Uniwersytetu Śląskiego, Śląskiego Uniwersytetu Medycznego, Centrum Onkologii Instytut im. M. Skłodowskiej-Curie w Gliwicach, Absolwentów i Studentów 12:45-13:10 Wręczenie statuetek i dyplomów w podziękowaniu za wkład w rozwój fizyki medycznej 13:10-14:00 Poczęstunek 14:00-16:00 Sesja plenarna I - prowadzący Prof. zw. dr hab. Wiktor Zipper 14:00-14:35 Od ery ortowoltażu do biologicznego dose painting w radioterapii - Prof. dr hab. n. med. Bogusław Maciejewski 14:35-15:10 Radioterapia protonowa droga do doskonałości Prof. dr hab. Paweł Olko 15:10-15:45 Metoda fotodynamiczna w diagnostyce i terapii nowotworów Prof. zw. dr hab. n. med. dr h. c. Aleksander Sieroń 15:45-16:00 Wystąpienie prezesa Towarzystwa Fizyki Medycznej Dr hab. Pawła Kukołowicza 16:00-16:30 Sesja plakatowa 16:30-17:00 Występ artystyczny zespołu Bokonon 18:00 Uroczysta kolacja Cały dzień - Wystawa Firm Medycznych 3

Program Sympozjum XX-lecia Fizyki Medycznej na Śląsku 6-7. 06. 2014 7.06.2014 - Śląskie Międzyuczelniane Centrum Edukacji i Badań Interdyscyplinarnych, Chorzów, ul. 75 Pułku Piechoty 1A (dzień otwarty) 09:00-11:20 Sesja plenarna II - prowadząca Prof. dr hab. n. med. inż. Halina Podbielska 09:00-09:25 Spektroskopia EPR w badaniu nanoleków Prof. dr hab. Ryszard Krzyminiewski 09:25-09:50 Spektroskopia rentgenowska i spektroskopia w podczerwieni w badaniach biomedycznych - Prof. dr hab. inż. Marek Lankosz 09:50-11:20 Prezentacja plakatów (3 min na osobę) 11:20-12:00 Sesja plakatowa przy kawie i herbacie 12:00-13:15 Sesja plenarna III prowadzący Prof. dr hab. Krzysztof Ślosarek 12:00-12:25 Zastosowanie technologii Rapid Arc w radioterapii raka płuca Dr Marzena Janiszewska 12:25-12:50 Zastosowanie nanocząstek magnetycznych w medycynie Prof. dr hab. Henryk Figiel 12:50-13:15 Z fizyki medycznej w Katowicach na chemię do Opola: od ślimaka afrykańskiego do terapii skóry - Dr hab. Teobald Kupka 13:15-13:20 Rozstrzygnięcie konkursu na najlepszy plakat 13:20-13:30 Zakończenie sympozjum 13:30-14:00 Występ artystyczny zespołu Gaudium 14:00-14:30 Lunch 14:30- Fizyka Medyczna dla rodzin i przyjaciół zwiedzanie laboratoriów Fizyki Medycznej Cały dzień Wystawa Firm Medycznych 4

XX lecie Fizyki Medycznej - jak to się zaczęło. Elżbieta Zipper Instytut Fizyki Uniwersytetu Śląskiego W 1992 roku Bank Światowy wystąpił z ofertą wsparcia finansowego Wyższych Szkół Zawodowych w Polsce i w Uniwersytecie Śląskim postanowiono taką Szkołę zaprojektować jednym z tworzonych kierunków były studia Fizyki Medycznej. Zostałam powołana przez Rektora Uniwersytetu Śląskiego prof. dr. hab. Maksymiliana Pazdana na Kierownika tych studiów na lata 1994-1997. Przygotowaliśmy wstępny program w języku polskim i angielskim zgodnie z wymogami Banku Światowego. Niestety z finansowania przez Bank Światowy nic nie wyszło, ale władze Uczelni zdecydowały się uruchomić te studia w ramach własnych środków. Studia uruchomiono we współpracy z Akademią Medyczną i Centrum Onkologii w Gliwicach dzięki dużej życzliwości i współpracy Rektora Akademii Medycznej prof. dr. hab. Władysława Pierzchały i Dyrektora Centrum Onkologii prof. Bogusława Maciejewskiego. 11 października 1994 roku odbyła się uroczysta inauguracja I roku, gdzie wręczono indeksy 34 studentom. Powołano Radę Programową, która spotykając się co parę miesięcy, ustalała szczegółowy program studiów i korygowała ewentualne potknięcia. Studia były prowadzone na Wydziale Mat. Fiz. Chem. Uniwersytetu Śląskiego, a pełnomocnikami Akademii Medycznej byli prof. dr hab. n. med. Zbigniew Kalina i prof. dr hab. n. med. Antoni Hrycek. W czerwcu 1997 roku 24 osoby ukończyły studia Fizyki Medycznej i uzyskały stopień licencjata. Absolwenci urządzili uroczyste spotkanie pożegnalne na którym bawiliśmy się wspólnie i na którym z łezką w oku wspominaliśmy minione chwile. 19 października 1997 roku odbyło się VI posiedzenie Rady Programowej na którym podsumowałam przebieg studiów Fizyki Medycznej. Na tym moja rola jako kierownika studiów się zakończyła i przekazałam pałeczkę nowemu Kierownikowi prof. dr hab. Zofii Drzazdze, która prowadzi te studia do dziś. 5

XX-lecie Fizyki Medycznej: Jak to trwa Zofia Drzazga Uniwersytet Śląski, Instytut Fizyki im. A. Chełkowskiego, Zakład Fizyki Medycznej, 40-007 Katowice, ul. Uniwersytecka 4, Śląskie Międzyuczelniane Centrum Edukacji Badań Interdyscyplinarnych, 41-500 Chorzów, ul. 75 Pułku Piechoty 1A zofia.drzazga@us.edu.pl Zainteresowanie specjalnością fizyka medyczna dało podstawę do utworzenia z początkiem 1996r. Zakładu Fizyki Medycznej o charakterze interdyscyplinarnym, kompatybilnym ze specjalnością, którego pierwsi pracownicy reprezentowali różne działy fizyki (fizykę jądrową, fizykę ciała stałego, fizykę teoretyczną) oraz chemii. W późniejszych latach dołączyli absolwenci licencjatu fizyki medycznej i lekarze mający doświadczenie kliniczne. Pierwsi nasi absolwenci z roku 1997 wykazali dużą determinację i wytrwałość w działaniu, aby kontynuować naukę na poziomie magisterskim i pod ich naporem zostały utworzone w roku akademickim 1997/1998 uzupełniające studia magisterskie z fizyki uwzględniające medyczne aspekty kształcenia. Rosnąca liczba studentów oraz akty prawne wchodzące w życie wraz z wejściem Polski do Unii Europejskiej i rozporządzenia Ministra Zdrowia z 30.09.2002r. i 25.08.2005r. uzasadniały potrzebę przekształcenia specjalności w kierunek Fizyka medyczna. Na bazie wieloletniego doświadczenia zespołu naukowo-dydaktycznego złożonego z pracowników Uniwersytetu Śląskiego, Śląskiego Uniwersytetu Medycznego w Katowicach i Centrum Onkologii Instytut im. Marii Skłodowskiej-Curie oddział w Gliwicach przygotowano autorski projekt nowego dwustopniowego kierunku, w którym poszerzono zakres specjalistycznej wiedzy medycznej i zagadnień prawno-organizacyjnych fizyki medycznej (QA) przy zachowaniu podstaw wiedzy fizyczno matematycznej profilowanej na nauki biomedyczne ze szczególnym uwzględnieniem fizyki jądrowej. Standardy kształcenia były konsultowane z Akademią Górniczo-Hutniczą w Krakowie, która również ubiegała się o utworzenie kierunku Fizyka medyczna. Projekt wszedł w życie decyzją MNiSW z 28.07.2008r. Studia I-go stopnia to studia inżynierskie o trzech specjalnościach: dozymetria kliniczna, optyka w medycynie i elektroradiologia. Natomiast na drugim stopniu kształcenia studenci pogłębiają wiedzę i umiejętności w zakresie stosowania promieniowania jonizującego i niejonizującego w medycynie, uzyskując stopień magistra. Dzięki uczestnictwu fizyki medycznej w projekcie europejskim: UPGOW - Program Operacyjny Kapitał Ludzki, Poddziałanie 4.1.1 - Wzmocnienie potencjału dydaktycznego uczelni, Zadanie 2: Fizyka medyczna, możliwe było prowadzenie zajęć dydaktycznych przez specjalistów nie tylko z Polski, ale i z zagranicy oraz wprowadzenie e-learningowej formy kształcenia. W celu zapewnienia wysokiego poziomu kształcenia powstały nowe pracownie wyposażone w wysokiej jakości aparaturę właściwą dla kierunku studiów w Śląskim Międzyuczelnianym Centrum Edukacji i Badań Interdyscyplinarnych w Chorzowie (Program Operacyjny Infrastruktura i Środowisko Oś priorytetowa XIII, działanie 13.1). Nad merytoryczną stroną kształcenia czuwa Rada Programowa złożona z pracowników naukowych Instytutu Fizyki Uniwersytetu Śląskiego, Śląskiego Uniwersytetu Medycznego oraz Centrum Onkologii Instytutu M. Curie Skłodowskiej z udziałem przedstawicieli studentów, zbierająca się co najmniej raz w roku, w zależności od potrzeb. Procesowi dydaktycznemu na poziomie uniwersyteckim zawsze towarzyszą badania naukowe, w które włączani są dyplomanci, magistranci i doktoranci. Kierunki badawcze takie jak: dozymetria promieniowania gamma w radioterapii nowotworów, procesy konkurencyjne w radioterapii wysokoenergetycznymi wiązkami promieniowania X 6

i elektronów, są realizowane w Zakładzie Fizyki Jądrowej i Jej Zastosowań UŚ we współpracy z Zakładem Fizyki Medycznej COI w Gliwicach i Dolnośląskim Centrum Onkologii we Wrocławiu, Instytutem Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie i Instytutem Fizyki UJ oraz z Zakładem Fizyki Medycznej UŚ. COI w Gliwicach wzbogaca tematykę o planowanie leczenia, weryfikacje na symulatorach rentgenowskich, prace związane z poprawą jakości leczenia (QA) i weryfikacją procesu planowania leczenia (QC) oraz spektroskopię NMR in vivo i in vitro. W ramach współpracy naukowej ze Śląskim Uniwersytetem Medycznym rozwijane są badania obrazowania termicznego i spektroskopii fluorescencyjnej w medycynie fizykalnej (krioterapia, hiperbaria - Centrum Leczenia Oparzeń w Siemianowicach Śląskich, diagnostyka i terapia fotodynamiczna nowotworów). Badania z zastosowaniem nowoczesnych technik rezonansu magnetycznego w medycynie, takich jak obrazowanie funkcjonalne (fmri), są prowadzone przez Zakład Fizyki Medycznej we współpracy z Department of Diagnostic and International Neuroradiobiology University Hospital Tuebingen oraz Pracownią Rezonansu Magnetycznego Samodzielnego Szpitala Klinicznego im. Andrzeja Mielęckiego ŚUM w Katowicach. Badania obrazowania dyfuzyjnego (DWI) realizowane są wspólnie z Zakładem Radiologii Klinicznej i Diagnostyki ŚUM w Zabrzu. Zakład Fizyki Medycznej rozpoczął też badania z Akademią Wychowania Fizycznego im. Jerzego Kukuczki w Katowicach mające na celu optymalizację treningu i wspomaganie diagnostyki w medycynie sportu wykorzystując technikę mikrokalorymetryczną, spektroskopię optyczną oraz termografię. W celu integracji środowiska oraz prezentacji najnowszych wyników badań prowadzonych w różnych ośrodkach, Zakład Fizyki Medycznej organizował sympozja tematyczne, początkowo krajowe, takie jak Perspektywy Rozwoju Fizyki Medycznej w Polsce - 1996, Problemy Fizyki Medycznej 1998, a następnie o zasięgu międzynarodowym jako International Symposium on Medical Physics w latach: 2003, 2006 i 2009 we współpracy z Centrum Onkologii Instytut MSC w Gliwicach. Najlepsze z prezentowanych prac były publikowane w materiałach pokonferencyjnych w Polish Journal of Medical Physics and Engineering ( part I - 2000, part II- 2001), Physica Medica (2004) oraz Polish Journal of Environmental Studies (2006, 2010). Absolwenci specjalności/kierunku fizyki medycznej (około 400 osób) znajdują pracę w placówkach medycznych, badawczo-rozwojowych, kontrolnych i diagnostycznych, przemysłowych, jak również ochrony środowiska. Zatrudnieni w ośrodkach klinicznych skupiają się na zdobywaniu zawodowego tytułu specjalisty fizyka medycznego, przedsiębiorczy tworzą własne firmy paramedyczne, a jeszcze inni kontynuują swoje naukowe zainteresowania realizując prace doktorskie (34 osoby - prawie 9%), a nawet habilitacyjne, w kraju i za granicą. Istnienie aktywnie działającej fizyki medycznej na Uniwersytecie Śląskim umożliwia przeprowadzanie przewodów doktorskich, habilitacyjnych i profesorskich osób z innych ośrodków zajmujących się interdyscyplinarnymi badaniami w zakresie nauk fizycznych i biomedycznych. Trwanie fizyki medycznej na Śląsku jest uzasadnione potrzebą integracji wysiłków w nauczaniu interdyscyplinarnym przygotowującym do stosowania ścisłych metod i narzędzi nauk matematyczno-fizycznych w problemach medycznych oraz potrzebą przygotowania fizyków do wspomagania obszarów medycyny wymagających użycia zaawansowanych metod z zakresu fizyki. 7

Od ery ortowoltażu do biologicznego dose painting w radioterapii Bogusław Maciejewski Centrum Onkologii-Instytut im. M. Skłodowskiej-Curie, Oddział w Gliwicach W pracy przedstawiono postęp technologiczny w radioterapii od prostych aparatów ortowoltowych i bomb kobaltowych do wyrafinowanych wysokoenergetycznych przyspieszaczy liniowych, tomografów i CyberKnife. Ten postęp jest ilustracją ewolucji od prostych technik napromieniania przy użyciu geometrycznie zdefiniowanych kształtów kilku wiązek promieniowania do różnoprofilowanych nawet kilkudziesięciu wiązek stereotaktycznych. Stąd określenie dose painting czyli takiego kształtowania rozkładu dawek pochłoniętych, aby poza obszarem nowotworu dochodziło do gwałtownego ich gradientu w celu ochrony zdrowych tkanek i narządów. Techniki modulacji intensywności dawki, bramkowania oddechowego, stereotaksji monitorowanej fuzją obrazową TK, NMR i PET stały się narzędziem codziennej praktyki. Przy tak zróżnicowanym rozkładzie dawek promieniowania w objętości tarczowej (DVH) planowanie i realizacja radioterapii przestała być domeną fizyki medycznej i została uzupełniona o dawki biologiczne, tj. takie wyrażone w izogy które wywołują spodziewany i oczekiwany efekt biologiczny, a więc śmierć komórek nowotworowych oraz możliwość szybkiej ochrony zdrowych tkanek. Ponadto radioterapia coraz rzadziej bywa wyłączną przed- lub pooperacyjną metodą leczenia. Coraz powszechniej znajduje zastosowanie jednoczasowa radiochemioterapia w celu spotęgowania efektu cytotoksycznego w guzie nowotworowym. Szczególną metodą okazała się w ostatnich latach stereotaktyczna radiochirurgia, mająca głównie zastosowanie w terapii guzów mózgu i rdzenia kręgowego. Ostro cięte tzw. wiązki ołówkowe/grafitowe (pencil beams) naśladują cięcia noża chirurgicznego i co więcej pozwalają na stosowanie jednej lub kilku wysokich dawek promieniowania (hipofrakcjonowania) skracając czas leczenia z tygodni do dni. Powyższe zagadnienia są dyskutowane w pracy i ilustrowane przykładami praktycznymi. 8

Radioterapia protonowa w drodze ku doskonałości Paweł Olko 1 1 Instytut Fizyki Jądrowej PAN, Radzikowskiego 152, 31-342 Kraków, pawel.olko@ifj.edu.pl Radioterapia protonowa, czyli napromienianie wiązkami przyspieszonych protonów, jest uważana za jedną z najbardziej skutecznych metod leczenia wielu schorzeń nowotworowych. Jej główną zaletą jest wysoka skuteczność, przy największym obecnie możliwym do osiągnięcia stopniu ochrony zdrowej tkanki. Najważniejszym powodem stosowania wiązek protonowych są doskonałe możliwości formowania dawki w napromienianym obiekcie. Prędkość protonów w ośrodku maleje z głębokością, a jednocześnie rośnie strata energii na jednostkę przebytej drogi i tym samym rośnie wielkość dawki zdeponowanej w materii. Na końcu drogi protonów, oddawana przez nie dawka osiąga najwyższą wartość tworząc tzw. maksimum Bragg a. Wysoką precyzję napromieniania wiązkami protonowymi można osiągnąć stosując tzw. aktywne wiązki skanujące, które zmniejszają dawki wlotowe i niepożądane tło neutronowe. Rozwija się metody weryfikacji miejsca napromienienia poprzez obserwację wzbudzonej przez protony + radioaktywności i natychmiastowych kwantów gamma. Podejmowane są też prace nad radiobiologiczną optymalizacją procesu leczenia z uwzględnieniem wyższej skuteczności biologicznej protonów. W Polsce pacjenci z czerniakiem gałki ocznej leczeni są już regularnie protonami na stanowisku w Instytucie Fizyki Jądrowej w Krakowie. Zbudowany 20 lat temu w IFJ PAN cyklotron AIC-144 produkuje wiązkę protonów o energii 60 MeV co odpowiada zasięgowi protonów w wodzie wynoszącemu ok. 30 mm. 11 maja 2011 roku został zainstalowany w IFJ PAN nowy cyklotron Proteus C-235, najnowocześniejszy i największy cyklotron w tej części Europy. Optymalne wykorzystanie medyczne nowego cyklotronu zapewnił projekt budowy dwóch stanowisk gantry czyli najnowocześniejszych urządzeń do leczenia nowotworów wiązką protonową. Na 100 tonowej obrotowej kratownicy o średnicy 11 metrów zainstalowane są wielotonowe magnesy mogące kierować wiązkę protonów z dowolnego kierunku w stronę pacjenta z dokładnością lepszą niż 1 milimetr. Tego typu stanowiska działają obecnie zaledwie w kilku ośrodkach europejskich i służą do leczenia najbardziej skomplikowanych przypadków nowotworów, w tym również u dzieci. Część medyczna ośrodka zostanie oddana do użytku w październiku 2015 roku. Niecierpliwie oczekują na ten moment lekarze i pacjenci. 9

Photodynamic medicine in diagnostics and therapy of neoplasms Aleksander Sieroń Department and Clinic of Internal Diseases, Angiology and Physical Medicine of Medical University of Silesia in Katowice, 41-902 Bytom, 15 Batorego St., sieron1@tlen.pl Photodynamic medicine in diagnosis and therapy are new modalities of fast and little invasive methods of imaging and treatment of neoplasmatic. Photodynamic diagnosis is based on differences in optical properties between healthy and neoplasmatic tissues. Autofluorescence imaging shows optical differences between healthy and neoplasmatic tissue without using of any exogenous fluorescence substances. Neoplasmatic tissues are visible in pseudocolors as shades of red color and healthy tissue is visible as shades of green color. Clinical experience showed high correlation between red color intensity and histopathological stage of cancerous tissues. Diagnostic system allows to measure red to green ratio which is also correlated with histhological staging. Digital computed image processing of taken pictures allows to show neoplasmatic tissues in three dimensional functions of autofluorescence intensity and allows to show places with the highest pathological autofluorescence intensity ratio and with the most advanced neoplasmatic process. The second useful method of diagnostics is fluorescence spectroscopy based on analysis of differences between spectrum of light emitted from healthy and cancerous cells. Thank this method we can observe positive or negative progress of therapy. Photodynamic therapy is a method of treatment described as highly effective and little invasive in many neoplasmatic diseases. Basic and clinical research proved that in comparison with other oncologic therapies, PDT is one of the most selective method of treatment. PDT is well known as an effective method in such medical disciplines as: dermatology, dentistry, laryngology, gastroenterology, urology and gynecology, in the treatment of precancerous and early cancerous stages and many microbial infections. 10

Spektroskopia EPR w badaniu nanoleków Ryszard Krzyminiewski 1,2, Bernadeta Dobosz 1,2, Joanna Kurczewska 3, Grzegorz Schroeder 3, Magdalena Hałupka-Bryl 2, Magdalena Bednarowicz 2, Tomasz Kubiak 1 1 Zakład Fizyki Medycznej, Wydział Fizyki UAM, Umultowska 85, 61-614 Poznań, rku@amu.edu.pl, benia@amu.edu.pl, tomekfizyk@wp.pl 2 Centrum NanoBioMedyczne, Umultowska 85, 61-614 Poznań, magdalenahalupka@op.pl, magda.bednarowicz@gmail.com 3 Zakład Chemii Supramolekularnej, Wydział Chemii UAM, Umultowska 89B, 61-614 Poznań, asiaw@amu.edu.pl, schroede@amu.edu.pl Cel pracy Celem pracy jest zbadanie własności fizycznych wybranych nanocząstek pod kątem ich zastosowania w przyszłości jako nośnika leków w terapii medycznej. Metodyka badań Próbki nanocząstek z rdzeniem magnetytu oraz nanocząstek niemagnetycznych zbadano metodą elektronowego rezonansu paramagnetycznego (EPR). Do rdzenia magnetycznego dołączono znacznik spinowy TEMPO oraz jeden wybrany lek (doxorubicyna, dopamina, amoksycyklina). W celu uzyskania biokompatybilności nanocząstki te pokryto osłonką z PEGu lub chitozanem. Drugą grupę stanowiły nanocząstki niemagnetyczne PMNT-PEG- PNMT. Pomiary wykonano na spektrometrze EPR/ENDOR typu EMX-10 pracującym w paśmie X (9,4 GHz) firmy Bruker w temperaturze 77 K oraz w przedziale temperatur 120K 293K. Dla próbek magnetycznych wykonano pomiary FC (field cooling) zamrażając je w polu 5000 Gs. Na spektrometrze ELEXSYS E540L (1 GHz) firmy Bruker wykonano obrazowanie nanocząstek magnetycznych znakowanych TEMPO w hydrożelu. Wyniki Zarejestrowano widma EPR nanocząstek w roztworze chloroformu, toluenu i wodnym (nanocząstki magnetyczne) oraz w roztworze chloroformu, DMF i wodnym (nanocząstki niemagnetyczne). Na podstawie wykonanej analizy widm EPR otrzymano informacje jak zachowują się badane materiały w różnych warunkach (rozpuszczalnik, temperatura, pole magnetyczne). Wyznaczono parametry spektroskopowe takie jak wartość indukcji pola magnetycznego (H), szerokość linii rezonansowej (ΔH), współczynnik rozszczepienia spektroskopowego (g) oraz dodatkowo dla widm TEMPA czasy korelacji (τ). Wyniki te przedstawiono na wykresach w funkcji temperatury oraz orientacji próbki w polu magnetycznym. Na przykładzie próbek magnetycznych i wykonanego obrazowania EPR w hydrożelu pokazano zmiany ich rozkładu z upływem czasu. Wyznaczono parametry dyfuzji. Wnioski Spektroskopia elektronowego rezonansu paramagnetycznego (EPR) pozwala badać własności nanocząstek funkcjonalizowanych wybranym lekiem. Ponadto, stosując technikę obrazowania EPR (EPRi), dołączony znacznik spinowy TEMPO umożliwia zbadanie rozchodzenia się nanocząstek w środowisku z upływem czasu. Literatura [1] A Nacev, C Beni,O Bruno & B Shapiro, Magnetic nanoparticle transport within flowing blood and into surrounding tissue, Nanomedicine, 2010, 5(9), 1459 1466 11

[2] Bernadeta Dobosz, Ryszard Krzyminiewski, Grzegorz Schroeder, Joanna Kurczewska, Electron paramagnetic resonance as an effective method for a characterization of functionalized iron oxide, Journal of Physics and Chemistry of Solids, 2014, 75, 594 598. [4] Ryszard Krzyminiewski, Tomasz Kubiak, Bernadeta Dobosz, Grzegorz Schroeder, Joanna Kurczewska, EPR spectroscopy and imaging of TEMPO-labeled magnetite Nanoparticles, Current Applied Physics, 2014, 14, 798-804. 12

Wykorzystanie spektroskopii rentgenowskiej i spektroskopii w podczerwieni w badaniach biomedycznych Marek Lankosz 1, Magdalena Szczerbowska-Boruchowska 1, Aleksandra Wandzilak 1, Mateusz Czyżycki 1, Paweł Wróbel 1, Dariusz Adamek 2, Edyta Radwańska 2 1 Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Marek.Lankosz@fis.agh.edu.pl 2 Katedra Patomorfologii, Zakład Neuropatologii, Collegium Medicum, Uniwersytet Jagielloński, ul Grzegórzecka 16, 31-531 Kraków, mnadamek@cyf-kr.edu.pl Cel pracy Procesy nowotworzenia oraz neurodegeneracji w centralnym układzie nerwowym (CUN) w istotny sposób wpływają na przebieg reakcji biochemicznych w organizmie człowieka. Tego rodzaju interakcje doprowadzają do zmian w składzie pierwiastkowym i biomolekularnym tkanek CUN. Wykonano badania składu pierwiastkowego i biomolekularnego glejowych nowotworów mózgu [1,2] oraz neuronów w substancji czarnej chorych na chorobę Parkinsona [3]. W przypadku glejowych nowotworów mózgu badano stopień utlenienia żelaza, miedzi i cynku. Metodyka badań Rentgenowska analiza fluorescencyjna (XRF- X-ray fluorescence analysis) została zastosowana do mikro-obrazowania chemicznego pierwiastków w skrawkach tkanek. Stopień utlenienia wybranych metali oznaczano metodą absorpcji promieniowania X polegającą na badaniu struktury bliskiej krawędzi absorpcji promieniowania X (XANES X-ray absorption near edge structure). Główne biomolekuły były obrazowane z wykorzystaniem mikrospektroskopii w podczerwieni (FFTIR). Wyniki Analiza otrzymanych widm pozwoliła na stworzenie dwuwymiarowych map dystrybucji pierwiastków oraz biomolekuł dla każdej z badanych próbek. Stworzono swoiste pierwiastkowe i biomolekularne charakterystyki nowotworów mózgu zróżnicowanych pod względem typu jak i stopnia złośliwości. Przeprowadzona mikro analiza pozwoliła poznać, które z biomolekuł i pierwiastków są typowe dla komórek glejowych nowotworów mózgu. Zaobserwowano różnice w widmach absorpcyjnych Fe, Cu i Zn w zależności od typu i stopnia złośliwości nowotworu. W przypadku neuronów parkinsonowskich stwierdzono istotne różnice w składzie pierwiastkowym i biomolekularnym w porównaniu z neuronami w próbkach kontrolnych. Wnioski Połączenie informacji o organicznej i nieorganicznej naturze tkanki centralnego układu nerwowego ma istotne znaczenie w poznaniu zachodzących w niej procesów patogenicznych. Zmiany te umożliwiają unikatowe wyróżnienie badanych tkanek pod względem typu nowotworu mózgu oraz jego stopnia złośliwości jak również pozwalają wyróżnić neurony objęte neurodegeneracją. Literatura [1]. M.Szczerbowska-Boruchowska, M.Lankosz, D.Adamek, Journal of Biological Inorganic Chemistry, 16 (2011) 1217-1226 [2]. A.Wandzilak, M.Czyzycki, P.Wrobel, M.Szczerbowska-Boruchowska, E.Radwanska, D.Adamek and M.Lankosza, Metallomics, 5 (2013) 1547-1553 [3]. M.Szczerbowska-Boruchowska, A.Krygowska-Wajs, D.Adamek, Journal of Physics: Condensed Matter, 24 (2012) 244104 13

Zastosowanie technologii Rapid Arc w radioterapii raka płuca Marzena Janiszewska 1, Adam Maciejczyk 2, Iga Skrzypczyńska 2, Maciej Raczkowski 1 1 Zakład Fizyki Medycznej Dolnośląskie Centrum Onkologii we Wrocławiu 2 Zakład Teleradioterapii Dolnośląskie Centrum Onkologii we Wrocławiu Cel pracy Celem pracy jest przedstawienie nowej technologii leczenia nisko zaawansowanego raka płuca. Metodyka badań i wyniki Radioterapia jest podstawową metodą leczenia raka płuca. Wykorzystywana jest we wszystkich stopniach zaawansowania choroby, zarówno w niedrobnokomórkowej (NDRP) jak i drobnokomórkowej (DRP) postaci tego nowotworu. Według badań epidemiologicznych w krajach rozwiniętych 61-76% ogółu chorych na NDRP potrzebuje jednej z form radioterapii na pewnym etapie swojej choroby. We wczesnych postaciach zaawansowania choroby, w przypadku gdy pacjent nie jest kandydatem do leczenia chirurgicznego, zastosowanie znajduje radioterapia stereotaktyczna. Przełomem w leczeniu raka płuca było zastosowaniem wysokich dawek frakcyjnych w badaniach przeprowadzonych przez Timmermana. W badaniach tych przy zastosowaniu dawek frakcyjnych 20Gy do dawki całkowitej 60Gy dla guzów T1 oraz 22Gy dla guzów T2 również podanej trzykrotnie, kontrola miejscowa pacjentów po 2-letniej obserwacji wyniosła 95% - wyniki porównywalne do efektów leczenia operacyjnego. Do realizacji tak wysoko-dawkowego leczenia wykorzystano techniki napromieniania, które pozwalają skrócić czas leczenia, optymalnie ograniczając dawkę w strukturach krytycznych, oraz planowanie 4D na TK które pozwoliło na minimalizację obszaru napromieniania. Przy tak optymalizowanej radioterapii można było podjąć wprowadzenie nowej techniki. Do realizacji radioterapii stereotaktycznej płuca zaleca się technikę dynamiczną łukową. Jest ona wyszukaną formą techniki IMRT (volumetric modulated arc therapy VMAT). Dzięki zastosowaniu tej techniki dawka zostaje zdeponowana podczas ciągłej rotacji gantry. Zasada ta jest podobna do tej zastosowanej w tomoterapii, z tą różnicą, że VMAT może być realizowany przy użyciu konwencjonalnego akceleratora, co znacznie zwiększa dostępność metody. Jak wskazują badania, zastosowanie VMAT umożliwia uzyskanie wysoce konformalnego planu, w porównaniu do komplanarnych i niekoplanarnych technik IMRT. Dawki jakie otrzymują narządy krytyczne są w tej technice właściwie kontrolowane, nawet z możliwością redukcji dawki w tkance płucnej. Nie do przecenienia jest fakt znacznej redukcji czasu napromieniania, nawet do <70% czasu potrzebnego do realizacji planu IMRT. Istotnym elementem prawidłowego przeprowadzenia radioterapii jest również poprawne wyspecyfikowanie dawki. Dokładność i prawdziwość wyznaczenia dawki na drodze komputerowych obliczeń, związana jest z analizą współcześnie dostępnych algorytmów szacujących tę dawkę w obszarach powszechnie uważanych za trudne w obliczeniach. Takim właśnie obszarem są tkanki o małej gęstości np. płuca, otoczone tkankami o gęstości normalnej (zbliżonej do gęstości wody). Obecnie istnieje podział na dwa główne typy algorytmów: typ A oraz bardziej zaawansowany typ B. Do typu A należą stosowane dotychczas algorytmy Pencil Beam Convolution Model (PBC), które wykazywały rozkłady dawek dużo bardziej jednorodne dla targetów otoczonych tkanką płucną, niż obliczenia symulacyjne Monte Carlo (MC)- typ B. Wysoka niejednorodność dawek w symulacjach 14

wynikała z uwzględnienia transportu dawki od kwantów rozproszonych, których niższa energia powodowała niejednorodny rozkład przekazywanej dawki pochłoniętej. Algorytmy MC uważane są za złoty standard w kalkulacji dawki, jednak nie znajdują się w powszechnym użyciu, ze względu na ograniczony dostęp. Dopiero po wprowadzeniu do praktyki klinicznej algorytmu AAA-typ B, uwzględniającego lateralne rozproszenia od gęstych tkanek otaczających płuco, można było uzyskać rzetelne informacje o dawkach pochłoniętych w guzie i płucu. Algorytm AAA jest uznany za właściwą alternatywę dla MC. Algorytmy PBC oraz AAA, różnią się przede wszystkim niejednorodnością niskich dawek w PTV. Krzywa DVH dla modelu PBC wskazywała na bardziej jednorodny rozkład w targecie, tym samym nie powodując znaczących przekroczeń dawki poza zalecenia IRCU. Natomiast w obliczeniach AAA, krzywa DVH wskazywała na znaczne niejednorodności, pojawiały się duże obszary pokryte niską dawką, oznaczało to, że chcąc uzyskać dawki referencyjne należało przenormalizować krzywą DVH uzyskaną wg obliczeń AAA, w taki sposób, aby dawki minimalne i średnie spełniały warunki dawek terapeutycznych, a to determinowało pojawienie się relatywnych wysokich dawek w obszarze guza i odpowiednio wpływało na podniesienie dawki w płucu. Z tego powodu w wielu ośrodkach prowadzących radioterapię wysokich dawek w raku płuca zmieniono metodykę przypisania dawki np. z 3x20Gy na 3x 18Gy. Wnioski Pod względem technicznym SBRT wykorzystuje wszystkie osiągnięcia nowoczesnej technologii: planowanie w oparciu o PET-TK, wykorzystanie systemów unieruchamiających, wyznaczanie targetów w oparciu o 4D-TK, planowanie w oparciu o zaawansowane algorytmy, IMRT, techniki łukowe, gating oraz precyzyjną weryfikację ułożenia pod aparatem terapeutycznym, np. CBCT. 15

Zastosowanie nanocząstek magnetycznych w medycynie Henryk Figiel Akademia Górniczo-Hutnicza Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej 30-059 Kraków, al. Mickiewicza 30 figiel@agh.edu.pl Nanocząstki, a w szczególności nanocząstki magnetyczne znajdują coraz szersze zastosowanie w diagnostyce i terapii medycznej. Nanocząstkami magnetycznymi są jednodomenowe cząstki ferromagnetyka lub ferrimagnetyka, które z racji swoich wymiarów rzędu nanometrów posiadają właściwości superparamagnetyczne. Dla zastosowań medycznych cząstki te pokrywane są odpowiednimi biokompatybilnymi niemagnetycznymi powłokami. Odpowiednio dobrane powłoki mogą przyłączać ligandy i inne cząsteczki funkcyjne. Oddziaływanie tych cząstek z zewnętrznym polem magnetycznym pozwala na ich szerokie zastosowanie w medycynie. W referacie zostanie omówione ich zastosowanie jako środka kontrastowego w obrazowaniu magnetyczno-rezonansowym, w hipertermii mającej na celu niszczenie komórek nowotworowych, celowanym dostarczaniu leków, fragmentów DNA i innych grup funkcjonalnych z zadaniami zarówno leczenia, niszczenia tkanek nowotworowych jak i rekonstrukcji tkanek. Przedstawione będzie też zastosowanie nanoczątek magnetycznych do znakowania i separacji komórek w płynach fizjologicznych. 16

Z fizyki medycznej w Katowicach na chemię do Opola: od ślimaka afrykańskiego do terapii skóry Teobald Kupka* i Marzena Nieradka Zakład Chemii Fizycznej i Modelowania Molekularnego, Wydział Chemii, Uniwersytet Opolski, ul. Oleska 48, 45-052 Opole (teobaldk@gmail.com) Cel pracy Celem mojego wystąpienia jest przybliżenie losów pracownika Zakładu Fizyki Medycznej U Śl po opuszczeniu Katowic i wędrówki naukowej po trzech kontynentach. Metodyka badań Podejście interdyscyplinarne z pogranicza chemii, fizyki i medycyny pozwoliło na wszechstronny rozwój naukowy i opracowanie nowego podejścia do przewidywania dokładnych parametrów, istotnych w spektroskopii NMR (i innych spektroskopiach) na drodze zaawansowanych metod teoretycznych oraz skierowanie zainteresowań w kierunku nanotechnologii. Prezentacja przedstawia główne etapy wedrówki z fizyki medycznej w Katowicach na chemię do Opola. Wyniki Przedstawię swoją podróż poprzez trzy kontynenty z dłuższymi przystankami: 1. Zakład Fizyki Medycznej, USl, Katowice (współorganizacja, Sympozja, NMR). 2. University of Waterloo Department of Physics (1998-2000) ON, Canada, NMR, dr Mik Pintar Uklady porowate, wchłanianie wody i dyfuzja NaCl do matrycy porowatej białego cementu. 3. Argonne National Laboratory, Chicago, IL, USA (2001-2005). Zespoł dr Robert Botto (NMR eksperyment), Steven Gray (nanofotonika, lejek optyczny), Larry Curtiss (grupa prof. Johna Popleá baterie litowe, magazynowanie wodoru). 4. Academia Sinica, Taipei, Taiwan (2005 2006, Carmay Lim) modelowanie enzymów i NMR. 5. Instytut/Wydział Chemii, Uniwersytet Opolski (od 2006, habilitacja w 2011). Rozwój metod modelowania molekularnego. Dokładne przewidywanie parametrow NMR. Wnioski Powrót do korzeni eksperymentalne i teoretyczne badania korali, ślimaka afrykańskiego (helix aspersa Maxima/Müller) oraz nanomateriałów szansą opolskiej chemii na wdrożenie nowych produktów naturalnych do pielęgnacji i leczenia skóry. Literatura [1] T. Kupka*, H. M. Lin*, L. Stobiński, Ch.-H. Chen, W.-J. Liou, R. Wrzalik, Z. Flisak, Experimental and theoretical studies on corals. I. Toward understanding origin of color in precious red coral from Raman and IR spectroscopy and DFT calculations. J. Raman Spectrosc., 47, (2010) 651-658. [2] T. Kupka*, M. Stachów, E. Chełmecka, K. Pasterny, M. Stobińska, L. Stobiński and J. Kaminský, Efficient modeling of NMR parameters in carbon nanosystems, J. Chem. Theor. Comput., 9 (2013) 4275 4286. 17

Planowanie rozkładu dawki i rozwój technik napromieniania w radioterapii kierunki badań absolwentów fizyki medycznej Krzysztof Ślosarek Centrum Onkologii Instytut im. M. Skłodowskiej Curie, oddział w Gliwicach Pracownicy Zakładu Planowania Radioterapii i Brachyterapii - Centrum Onkologii Instytutu MSC w Gliwicach, prowadzą zajęcia ze studentami fizyki medycznej od 15 lat. Prowadzimy zajęcia praktyczne i wykłady związane z planowaniem leczenia w radioterapii. Studenci, fizyki medycznej, przygotowali ponad 20 prac dyplomowych, których tematyka związana była z planowaniem leczenia, weryfikacją pracy symulatorów rentgenowskich, pomiarami parametrów matryc detektorów i komór jonizacyjnych, które są integralną częścią akceleratorów biomedycznych. Studenci byli autorami oprogramowania wspomagającego proces planowania leczenia, sprawdzali poprawność obliczeń rozkładów dawek, wykonywanych przez systemy komputerowego planowania rozkładu dawki. Oceniali wpływ artefaktów, związanych z obecnością implantów, w badaniach tomografii komputerowej, na jakość wykonywanych badań obrazowych. Tematy prac dyplomowych i magisterskich związane były z wszystkimi aspektami procesu przygotowania chorego do radioterapii. Studenci oceniali poprawność obliczeń wykonywanych przez dedykowane oprogramowanie, uczestniczyli w opracowaniach związanych z poprawą jakości leczenia (QA) i weryfikacji procesu planowania (QC), porównywali rozkłady dawek w nowych technikach radioterapii, w tym również radiochirurgii, która realizowana jest na akceleratorze biomedycznym CyberKnife. Absolwenci fizyki medycznej zatrudnieniu w Zakładzie Planowania Radioterapii i Brachyterapii biorą czynny udział w pracach badawczo rozwojowych, są autorami wielu doniesień zjazdowych i prac naukowych opublikowanych recenzowanych czasopismach. Najważniejsza tematyka prowadzonych badań, prowadzonych przez Absolwentów fizyki medycznej, została opublikowana. Wybrane publikacje z udziałem absolwentów/pracowników: 1. Szlag M., Ślosarek K., Bystrzycka J., Assesment of accurance radioactive source 192 Ir HDR location with OmniPro IMRT verification system, Pol J Environ Stud 15, 204-207, 2006; 2. Szlag M., Ślosarek K., Rembielak A., Białas B., Fijałkowski M., Bystrzycka j., Real time brachytherapy for prostate cancer implant analysis, Rep Pract Oncol Radiother 13 (1); 9 14; 2008; 3. Ślosarek K., Grządziel A., Szlag M., Bystrzycka J., Radiation Planning Index for dose distribution evaluation in stereotactic radiotherapy, Rep Pract Oncol Radiother 13 (4) 182 186; 2008; 18

4. Cholewka A., Szlag M., Ślosarek K., Białas B., Comparison of 2D- and 3D-guided implantation In accelerated partial breast irradiation, J Contemp Brachyther, 1; 4: 207-210, 2009; 5. Szlag M., Ślosarek K., Two-dimensional imaging of tumour control probabilities and normal tissue complication probabilities, Rep Pract Oncol Radiother, 15, 2010; 6. Ślosarek K.,Szlag M., Berman B., Grządziel A., EPID In vivo dosimetry In RapidArc technique 7. Rep Pract Oncol Radiother, 15,8-14, 2010; 8. Szlag M., Białas B., Cholewka A., Ślosarek K., IPSA vs Geometry Based Optimization in Dose Distribution Calculation in Accelerated Partial Breast Irradiation; Part II - Application of Ionizing Radiation in Diagnostics and Therapy, Monographs Polish Journal of Environmental Studies, vol 1, 2010; 9. Leszczyński W. Ślosarek K., Szlag M., Comparison of dose distribution in IMRT and RapidArc technique in prostate radiotherapy, Reports of Practical Oncology and Radiotherapy,17(6), 347 351, 2012; 10. Cholewka A., Szlag M., Białas B., Kellas-Ślęczka S., Ślosarek K., The importance of the implant quality in APBI Gliwice experience. Dosimetric evaluation., Journal of Contemporary Brachytherapy, 5(4), 227-231, 2013. 19

Wkład Zakładu Fizyki Medycznej COI w kształcenie studentów kierunku Fizyka Medyczna Uniwersytetu Śląskiego Maria Sokół, Andrzej Orlef Zakład Fizyki Medycznej Centrum Onkologii Instytut im. Marii Skłodowskiej-Curie, Oddział w Gliwicach, 44-101 Gliwice, ul. Wybrzeże Armii Krajowej 15 mary@io.gliwice.pl Zakład Fizyki Medycznej Centrum Onkologii Instytutu im. Marii Skłodowskiej-Curie w Gliwicach od wielu lat aktywnie wspiera kształcenie i szkolenie praktyczne przyszłych fizyków medycznych. Odbywa się to poprzez współudział naszych pracowników w prowadzeniu wykładów i ćwiczeń, szkolenie studentów w czasie praktyk studenckich oraz poprzez prowadzenie prac dyplomowych i magisterskich. Tematyka prac wiąże się z tematyką naukową Zakładu należy tu wymienić przede wszystkim zastosowania spektroskopii NMR in vivo, dozymetrię promieniowania jonizującego oraz kontrolę jakości procedur medycznych wykorzystujących promieniowanie jonizujące. Pod naszym kierownictwem powstało 16 prac licencjackich i 9 prac magisterskich. Wielu z tych studentów zasiliło zasoby kadrowe Zakładu Fizyki Medycznej COI i innych zakładów Instytutu. Wybrane publikacje z udziałem absolwentów/pracowników: 1. Skorupa A, Wicher M, Banasik T, Jamroz E, Paprocka J, Kiełtyka A, Sokół M. Four-and-one-half years experience in monitoring of reproducibility of an MR spectroscopy system application of in vitro results to interpretation of in vivo data. Journal of Applied Clinical Medical Physics 2014;15 (3) 323-334. 2. Skorupa A, Jamroz E, Paprocka J, Sokół M, Wicher M, Kiełtyka A. Bridging the gap between metabolic profile determination and visualization in neurometabolic disorders: a multivariate analysis of proton magnetic resonance in vivo spectra. Journal of Chemometrics, 2013;27(3-4):76 90. 3. Matulewicz L, Cichoń A, Sokół M, Przybyszewski W, Głowala-Kosińska M, Gibas M. High resolution proton nuclear magnetic resonance (1H NMR) spectroscopy of surviving C6 glioma cells after X-ray irradiation. Folia Neuropathol. 2013;51(1):33-43. 4. Jamroz E, Paprocka J, Sokol M, Skorupa A. 1HMRS in children with neurometabolic disorders European Journal of Paediatric Neurology 2011;15:S60- S61. 5. Polnik A, Sokół M, Jamroz E, Paprocka J, Wicher M, Banasik T, Marszał E, Kiełtyka A, Konopka M: Contribution of 1H MRS to differential diagnosis of neurologic disorders in children. (w:) Some aspects of medical physics - in vivo and in vitro studies (red. Zofia Drzazga and Krzysztof Ślosarek), Olsztyn: Hard Publishing Company, 2010, str. 27-33, (Monografie - Polish Journal of Environmental Studies ; vol. 1) ISBN: 978-83-61940-28-9 6. Emich-Widera E, Sokół M, Polnik A, Kazek B, Wicher M, 1H-MRS in children and adolescents with good response and intractable epilepsy. (w:) Some aspects of medical physics - in vivo and in vitro studies (red. Zofia Drzazga and Krzysztof 20

Ślosarek), Olsztyn : Hard Publishing Company, 2010, str. 22-26, (Monografie - Polish Journal of Environmental Studies; vol. 1) ISBN: 978-83-61940-28-9 7. Polnik A, Wicher M, Banasik T, Kieltyka A, Konopka M, Sokol M, Jamroz E, Paprocka J. Dimensionality Reduction Based Classification of Proton Magnetic Resonance in vivo Spectra from the Normal Human Brain. O. Dössel and W C. Schlegel. (Eds.): WC 2009, IFMBE Proceedings 25/IV, pp. 2333 2337, Springer 2009. 8. Polnik A, Boguszewicz Ł, Cichoń A, Sokół M, Wykorzystanie wielowymiarowych technik eksploracji danych w analizie widm 1H MRS in vivo. A. Grzech, K. Juszczyszyn, H. Kwaśnicka, N.T. Nguyen (Red.) Inżynieria Wiedzy I Systemy Ekspertowe, część IV. Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa 2009. 9. Boguszewicz Ł, Sokół M, Polnik A, Maciejowski M. Metabonomics based on pattern recognition methods in 1H in vivo MRS in differentiation metabolic profiles of multiple sclerosis subtypes. O. Dössel and W C. Schlegel. (Eds.): WC 2009, IFMBE Proceedings 25/IV, pp. 1498 1501, Springer 2009. 10. Blamek S, Wydmański J, Sokół M, Matulewicz Ł, Boguszewicz Ł. Magnetic Resonance Spectroscopic Evaluation of Brain Tissue Metabolism After Irradiation for Pediatric Brain Tumors In Long-Term Survivors: A Report of Two Cases. Z. Czernicki, A. Baethmann, U. Ito, Y. Katayama, T. Kuroiwa, D. Mendelow. (Eds.): Brain Edema XIV, Acta Neurochirurgica Supplementum vol. 106. pp. 191-194, Springer-Verlag/Vienna 2010. 11. Matulewicz Ł, Sokół M, Polnik A, Wydmański J, Multivariate analysis of 1h nmr spectra as a tool to extract information on irradiation response of white matter, Radiotherapy and Oncology 2007; 84(S1): 218-219. 12. Matulewicz Ł, Sokół M, Michnik A, Wydmański J, Long-term normal-appearing brain tissue monitoring after irradiation using proton MR spectroscopy in vivo. statistical analysis of large group of patients, International Journal of Radiation Oncology, Biology, Physics 2006;66(3): 825-832. 13. Matulewicz Ł, Sokół M, Wydmański J, Hawrylewicz L, Could lipid CH2/CH3 analysis by in vivo 1H MRS help in differentiation of tumor recurrence and postradiation effects?, Folia Neuropathologica, 2006;44(2):116-124. 14. Szymańska B, Skrzypek D, Kovala-Demertzi D, Staninska M, Demertzis, Synthesis and spectroscopic study of copper(ii) and manganese(ii) complexes with pipemidic acid, Spectrochimica Acta Part A, 2006;63;518-523. 15. Skrzypek D, Szymańska B, Kovala-Demertzi D, Wiecek J, Talik E, Demertzis MA, Synthesis and spectroscopic studies of iron(iii) complex with quinolone family member (pipemidic acid), J. Phys. Chem. Solids, 2006;67;2550-2558 16. Matulewicz Ł., Sokół M., Michnik A., Wydmański J., Long-term normal-appearing brain tissue monitoring after irradiation using proton mr spectroscopy in vivo. statistical analysis of large group of patients, International Journal of Radiation Oncology, Biology, Physics, 2006; 66(3): 825-832. 21

Badania realizowane w Zakładzie Fizyki Jądrowej i Jej Zastosowań UŚ we współpracy z Zakładem Fizyki Medycznej UŚ, Zakładem Fizyki Medycznej CO w Gliwicach, Dolnośląskim CO we Wrocławiu, Instytutem Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie i Instytutem Fizyki UJ Procesy konkurencyjne w radioterapii wysokoenergetycznymi wiązkami promieniowania X i elektronów Adam Konefał, Kinga Polaczek-Grelik, Andrzej Orlef, Włodzimierz Łobodziec, Marcin Łaciak, Marek Szewczuk, Wojciech Osewski, Anna Dawidowska, Wiktor Zipper, Marzena Janiszewska Charakterystyka badań: Pomimo dużego postępu osiągniętego w radioterapii w ciągu ostatnich kilkunastu lat wiele problemów nie zostało wciąż ostatecznie rozwiązanych. Jednym z nich jest zanieczyszczenie neutronami wysokoenergetycznych terapeutycznych wiązek promieniowania X i elektronów stosowanych w teleradioterapii. Produkcja neutronów dotyczy liniowych akceleratorów medycznych najczęściej stosowanych obecnie urządzeń do wytwarzania wiązek terapeutycznych w teleradioterapii. Neutrony wytwarzane są w reakcjach fotojądrowych (,n) i elektrojądrowych (e,e n) wywoływanych przez fotony i elektrony wiązki terapeutycznej. Reakcje te zachodzą głównie w masywnych komponentach głowicy akceleratora. Powstałe neutrony mogą wywoływać kolejne reakcje, w tym reakcje wychwytu radiacyjnego (n, ). Reakcje jądrowe zachodzące w trakcie emisji wysokoenergetycznych wiązek terapeutycznych powodują powstanie radioizotopów w pomieszczeniu do radioterapii. Skutkuje to podwyższoną radioaktywnością zarówno powietrza, akceleratora jak i wszystkich przedmiotów znajdujących się w pomieszczeniu do radioterapii. Produkcja neutronów przez wiązki terapeutyczne jest zjawiskiem negatywnym, gdyż powoduje, że pacjenci otrzymują dodatkową dawkę na całe ciało, niezależnie od lokalizacji nowotworu. Metody poznawcze stosowane w fizyce jądrowej okazują się być doskonałym narzędziem pozwalającym dokładnie określić skalę problemu i zbadać jego konsekwencje. Badania obejmują: - Pomiary fluencji neutronów w zakresie energii termicznych i rezonansowych metodą aktywności wzbudzonej, - Wyznaczanie widma neutronów w oparciu o symulacje komputerowe prowadzone metodą Monte Carlo, przy wykorzystaniu opracowanego w CERNie oprogramowania GEANT4, - Identyfikacja wytworzonych radioizotopów za pomocą spektroskopii gamma wykonywanej detektorem germanowym o wysokiej czystości kryształu germanu (ang. High Purity German, skrót: HPGe) firmy EG&G ORTEC, - Wyznaczanie efektywnych dawek neutronowych za pomocą symulacji komputerowych Monte Carlo dla klasycznej radioterapii, - Badania promieniotwórczości wzbudzonej i wyznaczanie dawek neutronowych dla techniki napromieniania całego ciała (ang. Total Body Irradiation). 22

Dozymetria promieniowania gamma w radioterapii nowotworów Adam Konefał, Andrzej Orlef, Zbigniew Maniakowski, Wiktor Zipper, Włodzimierz Łobodziec, Marzena Bakoniak Charakterystyka badań: Jednym z podstawowych warunków skuteczności radioterapii nowotworów jest zapewnienie zgodności dawki promieniowania zaaplikowanej pacjentowi z dawką zaplanowaną przy pomocy systemu planowania leczenia. Wadliwe działanie aparatu terapeutycznego lub urządzeń dozymetrycznych, niedokładny pomiar wydajności aparatu terapeutycznego, niedostateczna precyzja systemu planowania leczenia, niestabilność ułożenia pacjenta w trakcie seansu napromieniania, a także zwykłe ludzkie pomyłki, mogą stać się przyczyną znacznych rozbieżności pomiędzy dawką zaplanowaną i podaną. Szacuje się, że przy zmianie wartości dawki pochłoniętej w stosunku do dawki zaplanowanej o 1%, prawdopodobieństwo wyleczenia zmniejsza się o około 3%. Wymusza to konieczność precyzyjnego szacowania dawki aplikowanej choremu i dokładnego jej monitorowania. Doskonałym sprawdzianem dokładności podawania dawki choremu, są bezpośrednie pomiary dawki w trakcie seansu napromieniania, czyli tzw. dozymetria in vivo. Dodatkowo, dozymetria in vivo daje możliwość ustalenia przyczyn i dokonania korekty powstałych błędów. Dodatkowym aspektem dozymetrii klinicznej jest modelowanie wiązek terapeutycznych, które pozwala bardzo precyzyjnie określić widmo energetyczne wiązki w powietrzu, wodzie i tkance biologicznej, a także szereg parametrów opisujących własności wiązki i detektorów stosowanych w dozymetrii. Wysokim standardem są modele bazujące na metodzie Monte Carlo. Wyniki uzyskane za pomocą modelowania metodą Monte Carlo są wykorzystane w systemach planowania leczenia, do konstruowania akceleratorów i do wyznaczania tzw. współczynników stopping-power niezbędnych do dokładnego określenia dawki zaabsorbowanej w napromienianym środowisku na podstawie pomiarów jonizacji powietrznymi komorami jonizacyjnymi. Badania obejmują: - Pomiary dawek promieniowania w warunkach in vivo półprzewodnikowymi detektorami firmy Scanditronix, - Wyznaczanie widm wiązek terapeutycznych za pomocą metody Monte Carlo, w oparciu o oprogramowanie GEANT4 i MCNPX, - Wyznaczanie położenia piku Bragga za pomocą pomiarów promieniowania gamma powstającego w wyniku oddziaływania protonów w napromienianym ośrodku; pomiary wykonywane detektorami półprzewodnikowymi i scyntylacyjnymi, - Optymalizacja parametrów pracy lamp rentgenowskich stosowanych w diagnostyce klinicznej za pomocą symulacji metodą MC, - Rekonstrukcja rozkładu dawek w dynamicznych technikach napromieniania IMRT i VMAT, - Weryfikacja planów leczenia dla urządzenia Gamma Knife za pomocą detektorów termoluminescencyjnych. 23

Wybrane publikacje z udziałem absolwentów/pracowników: A. Konefał, M. Łaciak, A. Dawidowska, W. Osewski: Significant change in the construction of a door to a room with slowed down neutron field by means of commonly used inexpensive protective materials. Radiation Protection Dosimetry, (in press). M. Łaciak, A. Konefał: Dependence between the size of the treatment room and the fluence of neutrons undesirable in radiotherapy for the high-energy therapeutic x-rays generated by the linear medical accelerator. Acta Physica Polonica B, Vol. 45, No.2, 559-564 (2014) M. Janiszewska, K. Polaczek-Grelik, M. Raczkowski, B. Szafron, A. Konefał, W. Zipper: Secondary radiation dose during high-energy total body irradiation. Strahlentherapie und Onkologie, Vol. 190, Issue 5, pp 459-466 (2014) A. Konefał, A.Orlef, M. Łaciak, A. Ciba, M. Szewczuk: Thermal and resonance neutrons generated by various electron and x-ray therapeutic beams from medical linacs installed in polish oncological centers. Reports of Practical Oncology and Radiotherapy, Vol. 17, 239 246 (2012). A. Konefał, M. Szewczuk, A. Orlef, K. Polaczek-Grelik, M. Łaciak: Teleradiotherapy, neutrons and nuclear reactions. Postępy Fizyki, Vol. 63, No. 6, 225-233 (2012) A. Konefał: Undesirable radioisotopes induced by therapeutic beams from medical linear accelerators. Chapter in the book: Radioisotopes II. INTECH Open Access Publisher. ISBN: 978-953-307-748-2, p. 127-150 (2011). A. Konefał, P. Szaflik, W. Zipper: Influence of the energy spectrum and the spatial spread of the proton beams used in the eye tumor treatment on the depth-dose characteristics. Nukleonika, Vol. 55(3), 313-316 (2010). A. Konefał, K. Polaczek-Grelik, W. Zipper: Undesirable nuclear reactions and induced radioactivity as a result of the use of the high-energy therapeutic beams generated by medical linacs. Radiation Protection Dosimetry, 128(2): 133-145, Oxford Press (2008). A. Konefał, A. Orlef, M. Dybek, Z. Maniakowski, K. Polaczek-Grelik, W. Zipper: Correlation between radioactivity induced inside the treatment room and the undesirable thermal/resonance neutron radiation produced by linac. Physica Medica, 24, 212-218 (2008). A. Konefał, M. Dybek, W. Zipper, W. Łobodziec, K. Szczucka: Thermal and epithermal neutrons in the vicinity of the Primus Siemens biomedical accelerator. Nukleonika, Vol. 50, No. 2, p. 73-81 (2005). Konferencje organizowane przez Zakład Fizyki Medycznej 24