Ústav jaderné fyziky AVČR

Jaderná fyzika ve službách lékaře Vladimír Wagner Ústav jaderné fyziky AVČR, 250 68 Řež, E_mail: wagner@ujf.cas.cz, WWW: http://hp.ujf.cas.cz/~wagner/ 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

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

Detekce záření gama e- γ e- γ e+ γ e- 1) Fotoefekt: foton předá energii elektronu v atomovém obalu γ e- 2) Comptonův rozptyl: foton se rozptýlí na elektronu a předá mu část energie e- γ 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- γ Scintilační detektory – vysoká efektivita, horší energetické rozlišení BaF2, BGO, NaITl Polovodičové detektory – velmi dobré energetické rozlišení HPGe – nutnost chladit na teplotu tekutého dusíku

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

Diagnostika - využití metody značených atomů Stabilní izotopy ve sloučeninách lze nahradit radioaktivními: ( 197Au  198Au, 12C  11C, 127I  123I) 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 Příprava radiofarmak, ochrana olovnatým sklem (firma Radio-pharmacy, Inc. – Indiana, USA) Pořizování „snímků“ vyšetřovaných orgánů - scintigramů Příklady dalších používaných radionuklidů: 32P, 57Co, 58Co, 51Cr, 18F, 67Ga, 75Se, 89Sr, 99mTc, 111In, 133Xe, 153Sm, 197Hg, 201Th, 203Hg Detekce záření pomocí soustavy gama detektorů (využívají hlavně NaI(Tl)) ↔ „snímky“ orgánů Studium metabolismu různých látek

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: 11C, 13N, 15O, 18F 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

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

Příprava diagnostických radiofarmak (ÚJF AVČR Řež)

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

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

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 Pracoviště radiační biologie na urychlovači BEVALAC v LBL Ekvivalentní dávka HT = wRDT [Sv] DT – dávka pohlcená ve tkáni Radiační váhový faktor wR jakostní faktor vystihující biologické riziko záření Každý orgán a tkáň jsou jinak citlivé: Druh záření wR Fotony a elektrony všech energií 1 Neutrony s energií 10 keV 5 Neutrony s energií 10 - 100 keV 10 Neutrony s energií 0,1 - 2 MeV 20 Neutrony s energií 2 - 20 MeV Záření α 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

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 Jaké ozáření přinášejí různé běžné činnosti: RTG vyšetření plic 0,04 – 0,4 mSv CT (počítačová tomografie) 7 mSv Jeden 7 hodinový let 0,05 mSv Posádky civilních letadel ročně 2 mSv Skylab 4 za 4 měsíce (440 km): 178 mSv (denně 1,5 mSv) Havárie v Černobylu: Bezprostřední účastníci: i několik Sv Hodnota pro pozdější likvidátory: střední 100 mSv maximum 500 mSv Evakuované obyvatelstvo 0,1 – 380 mSv Spočítejte si velikost vaší radiační zátěže: http://www.epa.gov/radiation/students/calculate.html

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

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

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

Nevýhoda – úbytek intenzity s hloubkou v tkáni Gama nebo elektrony Zdravé buňky Rakovinné buňky Nevýhoda – úbytek intenzity s hloubkou v tkáni Vhodné jako u gama záření ozařování z různých stran 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 Moderní urychlovač elektronů v Stanfordu

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

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

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 Magnetické pole mění směr letu iontů Změna energie mění jejich dolet Třírozměrné proskenování nádoru a jeho zničení Část urychlovače těžkých iontů SIS v GSI Darmstadt

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

V minulém roce začal provoz velkého klinického pracoviště v Heidelbergu 4 ozařovny kapacita 1300 pacientů ročně Jedno je gantry s hmotností 600 t Zacílení svazku lepší než půl mm Cena 100 milionů EUR ( 1 zákrok 20 000EUR) Široce spojeno s diagnostikou PET, MRI, CT … V budoucnu – využití i pro ozařování pohyblivých částí těla Výstavba zařízení po celé Evropě Možnost využití antiprotonů (anihilace na konci dráhy) – testy v CERNu

Borová 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 Bórová záchytová terapie Jiné metody: vnitřní ozáření pomocí kapslí s radionuklidy – iridiové drátky

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

Závěr 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