Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Ústav jaderné fyziky AVČR. Jaderná fyzika ve službách lékaře Vladimír Wagner Ústav jaderné fyziky AVČR, 250 68 Řež, E_mail: WWW:

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Ústav jaderné fyziky AVČR. Jaderná fyzika ve službách lékaře Vladimír Wagner Ústav jaderné fyziky AVČR, 250 68 Řež, E_mail: WWW:"— Transkript prezentace:

1 Ústav jaderné fyziky AVČR

2 Jaderná fyzika ve službách lékaře Vladimír Wagner Ústav jaderné fyziky AVČR, Řež, E_mail: WWW: 1. Úvod 2. Diagnostika 2.1 Detekce záření gama 2.2 Produkce radioizotopů 2.3 Využití značených atomů 2.4 Pozitronová emisní tomografie 2.5 Jaderná magnetická rezonance 3. Terapie 3.1 Využití záření gama 3.2 Ozařování pomocí elektronů 3.3 Ozařování pomocí protonů 3.4 Ozařování pomocí těžších iontů 4. Závěr

3 Irene a Marie Curie ve vojenské nemocnici Moderní kobaltová ozařovna v nemocnici v Ostravě Úvod Radiologické pracoviště v 40. letech Počátek jaderné fyziky – objev radioaktivity 1896, spojeno s objevem rentgenova záření Využití vlastností jader v lékařství – nejen radioaktivity a záření Objev a zkoumání biologických účinků radiace – využití v terapii Rozvoj diagnostických metod spojen i s využitím rentgenova záření Hlavně využití záření gama – radioaktivní rozpad

4 Detekce záření gama 1) Fotoefekt: foton předá energii elektronu v atomovém obalu 2) Comptonův rozptyl: foton se rozptýlí na elektronu a předá mu část energie 3) Tvorba párů elektron a pozitron: v poli atomového jádra se vytvoří e + e - pár pozitron po ztrátě kinetické energie anihiluje z elektronem. Produkuje se dvojice kvant gama s E = 511 keV e+e+ e-e- γ e-e- γ e-e- γ γ e-e- Scintilační detektory – vysoká efektivita, horší energetické rozlišení Polovodičové detektory – velmi dobré energetické rozlišení HPGe – nutnost chladit na teplotu tekutého dusíku BaF 2, BGO, NaITl

5 Produkce potřebných radionuklidů Využívají se jaderné reakce urychlených částic s jádry Baby cyklotron, podobný je i v Nemocnici Na Homolce Cyklotron v ÚJF AVČR v Řeži Nejčastěji urychlovač protonů a lehkých iontů Příprava radiofarmak Nejčastěji se využívá cyklotron Schéma cyklotronu Intenzivní ozáření vhodného terče Nutná chemická příprava a vpravení radioaktivního jádra do vhodné molekuly Gama záření následuje rozpad beta – nutnost připravit beta radioaktivní jádro

6 Diagnostika - využití metody značených atomů Stabilní izotopy ve sloučeninách lze nahradit radioaktivními: ( 197 Au  198 Au, 12 C  11 C, 127 I  123 I) výhodné jsou krátkodobé → rychle vymizí, důležitá také rychlost biologického vytěsňování 1) Vyšetřování funkce a stavu různých orgánů a tkání 2) Lokalizace zhoubných nádorů Radiofarmaka - značené sloučeniny v lékařství – důležitý je široký sortiment sloučenin pro vyšetření různých orgánů Příklady dalších používaných radionuklidů: 32 P, 57 Co, 58 Co, 51 Cr, 18 F, 67 Ga, 75 Se, 89 Sr, 99m Tc, 111 In, 133 Xe, 153 Sm, 197 Hg, 201 Th, 203 Hg Detekce záření pomocí soustavy gama detektorů (využívají hlavně NaI(Tl)) ↔ „snímky“ orgánů Studium metabolismu různých látek Příprava radiofarmak, ochrana olovnatým sklem (firma Radio-pharmacy, Inc. – Indiana, USA) Pořizování „snímků“ vyšetřovaných orgánů - scintigramů

7 Pozitronová emisní tomografie Produkce radiofarmak (zvláště pozitronová emisní tomografie) – radioaktivní izotopy jsou produkovány ozařováním vhodného terče na urychlovači Radioaktivní izotopy s pozitronovým rozpadem → anihilace pozitronu v klidu → vznik dvou fotonů (kvant záření gama) letících v opačném směru → jejich zachycením určení polohy Využívané radioizotopy: 11 C, 13 N, 15 O, 18 F Vložení radioaktivního izotopu do sloučeniny usazující se ve studovaném orgánu (přesná diagnostika a medicínský výzkum): Srdce zasažené infarktem Zdravé srdce Velmi dobré prostorové rozlišení ( 2 mm ), stále nové sloučeniny pro PET kamery (systémy Pozitronové Emisní Tomografie) Typická PET kamera a komerční cyklotron IBA cyklone 10/3

8 Ukázka zobrazení nádoru zažívacího traktu pomocí PET kamery. (Zdroj Nemocnice Na Homolce). PET kamera v Nemocnici na Homolce Před léčbou Po léčbě U nás řada pracovišť, dvě mají vlastní „baby“ cyklotron (Praha – Homolka a Brno) – zajišťováno ÚJV Řež Jednou z nejvhodnějších chemických sloučenin pro umístění radionuklidu je glukóza Mozek čte Mozek poslouchá Vývoj i produkce diagnostických radiofarmak provozuje i ÚJF AVČR Řež Přes noc ozáření, brzo ráno radiochemická příprava dávky a rychlý rozvoz

9 Příprava diagnostických radiofarmak (ÚJF AVČR Řež)

10 Jaderná magnetická rezonance Využívá magnetické momenty jader a jejich orientace v silném magnetickém poli Tlukoucí srdceZobrazení tepen Zobrazení kolenního kloubuModerní zařízení pro MRI Intenzivní magnetické pole (až v řádu tesla) vhodně nastavený jeho gradient Vysokofrekvenční pole s odpovídající frekvencí Začíná v sedmdesátých letech

11 Záblesky v očích vlivem průletu těžkého iontu vysokoenergetického záření Předpověď – 1952 – Cornelius Tobias Pozorování: poprvé kosmonauti Apolla 11 Ověření na Zemi (1974: BEVALAC (první urychlovač těžkých iontů) – svazek - C. Tobias Biologické účinky záření BEVALAC γ Z=1 Příprava biologických vzorků v našem ústavu Z > 4 Poškození DNA Tvorba volných radikálů !!! Využití větší citlivosti rakovinných buněk vůči radiaci !!! Zajímavost:

12 Určování biologického účinku radiace Veličiny popisující ionizující záření a jeho biologický účinek: Aktivita A [Bq = s -1 ] - počet rozpadů Četnost [Bq = s -1 ] - počet zaznamenaných částic Předaná energie: Dávka D [Gy = Jkg -1 ] - celková energie předaná tkáni nebo organismu Dávkový příkon [Gy s -1 ] Biologický účinek záření závisí na druhu tkáně a záření: Dávkový ekvivalent H = QD [Sv], Q - jakostní faktor - relativní biologická účinnost daného záření na tkáň Ekvivalentní dávka H T = w R D T [Sv] D T – dávka pohlcená ve tkáni Radiační váhový faktor w R jakostní faktor vystihující biologické riziko záření Druh zářeníwRwR Fotony a elektrony všech energií1 Neutrony s energií 10 keV5 Neutrony s energií keV10 Neutrony s energií 0,1 - 2 MeV20 Neutrony s energií MeV10 Záření α20 Každý orgán a tkáň jsou jinak citlivé: Efektivní dávka - součet ekvivalentních dávek vážený s ohledem na radiační citlivost orgánů a tkání pro všechny ozářené orgány Biologické účinky ionizujícího záření: Nestochastické - jsou prahové, dávka je dostatečná, aby se během relativně krátké doby projevilo pozorovatelné poškození Stochastické účinky - dávka nevyvolá v krátké době pozorovatelné poškození ale je jistá pravděpodobnost jeho pozdějšího projevení Pracoviště radiační biologie na urychlovači BEVALAC v LBL

13 Jaké ozáření přinášejí různé běžné činnosti: CT (počítačová tomografie) 7 mSv Skylab 4 za 4 měsíce (440 km): 178 mSv (denně 1,5 mSv) RTG vyšetření plic 0,04 – 0,4 mSv Jeden 7 hodinový let 0,05 mSv Posádky civilních letadel ročně 2 mSv Spočítejte si velikost vaší radiační zátěže: Připomenutí průměrné ozáření člověka přírodními zdroji 2,4 mS/rok (rozmezí 1 – 10 mS/rok) Základní limity: běžný člověk 1 mSv/rok (nad pozadím) pracovník se zářením 50 mSv/rok Havárie v Černobylu: Hodnota pro pozdější likvidátory: střední 100 mSv maximum 500 mSv Evakuované obyvatelstvo 0,1 – 380 mSv Bezprostřední účastníci: i několik Sv

14 ProtonyElektrony Schématické porovnání různých veličin pro protony a elektrony Interakce záření s hmotou Uhlík Protony Fotony Efektivní relativní dávka Hloubka v tkáni [cm] Uhlík změna energie Proton změna energie Interakce protonů a těžkých iontů se liší od interakce elektronů a fotonů

15 Využití záření gama Většinou využití záření produkovaného radioaktivním kobaltem 60 Co Leksellův gama nůž (v Česku v Nemocnici na Homolce ročně zhruba 800 operací)

16 První pacient urychlovače Stanfordské university – dvouletý chlapec Urychlovač v padesátých a šedesátých letech Využití elektronů Urychlovače elektronů jsou jednodušší a menší než urychlovače protonů První pacient v roce 1956 v Stanfordu Zhruba polovina v současnosti ozařovaných pacientů Za historii ozářeno více než sto milionů pacientů

17 Moderní urychlovač elektronů v Stanfordu Gama nebo elektrony Zdravé buňky Rakovinné buňky Vhodné jako u gama záření ozařování z různých stran Nevýhoda – úbytek intenzity s hloubkou v tkáni Využití větší citlivosti rakovinných buněk Velmi efektivní využití v případech nemožnosti přístupu chirurga – hlavně rakovina mozku, v blízkosti očního nervu, míchy … Moderní medicínský lineární urychlovač

18 Využití protonů (hadronová terapie) Využití maximální depozice energie na konci dráhy První specializované pracoviště (USA 1990) Řada experimentálních pracovišť po celém světě u velkých výzkumných urychlovačů Pracoviště hadronové terapie v Japonsku První se začíná budovat v Česku v Praze na Bulovce Potřeba urychlovače protonů na relativistické energie → rychlost protonu blízká rychlosti světla Změny směru letu protonů (magnetickým polem) a změna doletu změnou energie urychlených částic Postupné budování dalších v různých místech

19 Stavba zařízení pro protonovou terapii v Praze na Bulovce Proton Therapy Center Czech 4. ozařovny rok 2013

20 Ozařování těžkými ionty Využití závislosti ionizačních ztrát energie nabité částice na její rychlosti. Větší náboj (těžší iont) → větší maximum na konci dráhy Možnost umístění destrukční energie do místa nádoru bez poškození okolní tkáně Urychlovač těžkých iontů Část urychlovače těžkých iontů SIS v GSI Darmstadt Magnetické pole mění směr letu iontů Změna energie mění jejich dolet Třírozměrné proskenování nádoru a jeho zničení

21 Hlavně nádory mozku: 1)Problém s chirurgickým zákrokem 2)Nemetastázují 3)Dobře ohraničené Testovací systém s využitím urychlovače SIS v GSI Darmstadt (100 MeV - 1 GeV) Radioaktivní svazek s pozitronovým zářičem → průběžné PET sledování úspěšnosti ozáření Úspěšně vyléčeny stovky pacientů

22 V minulém roce začal provoz velkého klinického pracoviště v Heidelbergu V budoucnu – využití i pro ozařování pohyblivých částí těla Možnost využití antiprotonů (anihilace na konci dráhy) – testy v CERNu 4 ozařovny kapacita 1300 pacientů ročně Zacílení svazku lepší než půl mm Výstavba zařízení po celé Evropě Jedno je gantry s hmotností 600 t Cena 100 milionů EUR ( 1 zákrok EUR) Široce spojeno s diagnostikou PET, MRI, CT …

23 Borová záchytová terapie Bórová záchytová terapie Reakce neutronu s borem – produkce alfa částice – velký biologický dopad Vhodná sloučenina dopraví bór do nádoru → ozáření neutrony z reaktoru → reakce a ničení rakovinných buněk Zatím experimentální metoda – pět ozařování i v ÚJV v Řeži Hodně intenzivní práce v této oblasti v Japonsku Jiné metody: vnitřní ozáření pomocí kapslí s radionuklidy – iridiové drátky

24 Ozařovny – sterilizace zdravotního zařízení Genesis – ozařovač pro potraviny firmy Gray Star, využívá 60 Co V Česku velká ozařovna - BIOSTER a.s. Veverská Bítýška Využití biologických účinků záření ke sterilizaci chirurgických nástrojů a dalších medicínských potřeb Změna vlastností materiálů po ozáření – vylepšení povrchu kloubních náhrad Většinou se využívají intenzivní zdroje radioaktivního kobaltu 60 Co Výhody: Není riziko zanechání škodlivých zbytků Nemění vlastnosti materiálů či potravin

25 1) Velmi široké využití jaderných metod 2) Využití záření gama (vhodných radionuklidů) 3) Velmi výhodné využití anihilace pozitronů PET – třírozměrný obraz 4) Magnetická jaderná rezonance – neradiační metoda 5) Biologické účinky záření 6) Využití záření gama – Lekselův gama nůž 7) Využití elektronů – jedno z nejčastěji dostupných 8) Hadronová terapie – využití protonů i těžších iontů 9) Bórová záchytová terapie 10) Jaderná diagnostika i terapie určitě i v budoucnu zachrání řadu životů Závěr


Stáhnout ppt "Ústav jaderné fyziky AVČR. Jaderná fyzika ve službách lékaře Vladimír Wagner Ústav jaderné fyziky AVČR, 250 68 Řež, E_mail: WWW:"

Podobné prezentace


Reklamy Google