ppt

Metody radiacyjne
w medycynie
diagnostyka izotopowa, radioterapia z
użyciem promieniowania gamma,
elektronów, mezonów (pi-) i ciężkich jonów
opracowanie w ramach przedmiotu: Metody i Technologie Jądrowe
autor: mgr inż. Rafał Jóźwiak
Warszawa, 27.01.2009 r.
Metody radiacyjne w medycynie
• Opracowanie to dotyczy zastosowania metod radiacyjnych
(wykorzystujących promieniowanie jonizujące) w medycynie,
a w szczególności metod opierających się na wykorzystaniu
izotopów promieniotwórczych
• W przeciwieństwie do całej grupy metod radiacyjnych
stosowanych we współczesnej medycynie w niniejszym
opracowaniu w części obejmującej diagnostykę
(obrazowanie) skupiono się na metodach opierających
się na wykorzystaniu radioizotopów promieniotwórczych
– ta gałąź medycyny określana jest mianem medycyny
nuklearnej
• Zaprezentowane zostaną zagadnienia związane
zarówno z aspektami diagnostyki medycyny nuklearnej
(obrazowanie z wykorzystaniem radioizotopów) oraz z
różnymi technikami radioterapii
Diagnostyka izotopowa (obrazowanie izotopowe)
•
•
Nośnikiem informacji w diagnostyce izotopowej jest promieniowanie γ
emitowane przez radioizotop podawany badanemu pacjentowi
Radioizotopy są to pierwiastki lub izotopy pierwiastków (odmiany
pierwiastków), których jądra atomów są niestabilne i samoczynnie
ulegają przemianom promieniotwórczym, którym towarzyszy emisja
promieniowania γ
•
•
Aby radioizotop mógł dotrzeć do badanego narządu, łączony
jest ze związkiem chemicznym wykazującym dużą zdolność
gromadzenia (akumulacji) w badanym narządzie. Związek
taki nazywany jest radiofarmaceutykiem
Badanie obrazowe odzwierciedla intensywność gromadzenia
radioizotopu w badanym narządzie. Cecha ta stanowi o
wyjątkowości metod izotopowych, gdyż w przeciwieństwie do
innych technik obrazowania medycznego (tomografia
komputerowa, rezonans magnetyczny, itp.), które obrazują
cechy morfologiczne (budowę), badania obrazowe
medycyny nuklearnej obrazują funkcje czynnościowe
Detektory promieniowa γ (1)
•
•
Kluczowe dla potrzeb diagnostyki izotopowej jest uchwycenie
promieniowania gamma powstającego w wyniku rozpadu radioizotopu
zgromadzonego wraz z radiofarmaceutykiem w obrazowanym
narządzie
Najczęściej stosowanym w medycynie nuklearnej detektorem
promieniowania γ jest detektor scyntylacyjny
•
•
Podstawowy element tego detektora stanowi kryształ
scyntylacyjny, którego specyficzną cechą jest emisja
błysków świetlnych, powstających na skutek oddziaływania
promieniowania γ z kryształem (efekt fotoelektryczny,
zjawisko Comptona)
Typowym kryształem scyntylacyjnym jest jodek sodu
aktywowany talem - NaI(Tl), choć powoli jego znaczenie
jest już historyczne. W nowoczesnych konstrukcjach
detektorów wykorzystuje się germanian bizmutu (BGO).
Czasem stosowane są inne materiały takie jak fluorek baru
(BaF2) i fluorek cezu (CsF) choć ich pewne parametry
(wydajność kwantowa, zdolność energetyczna) nie są aż
tak zadawalające
Detektory promieniowa γ (2)
•
•
•
Układ detektora oprócz kryształu składa się jeszcze z
fotopowielaczy - urządzeń, zbudowanych z łańcuchów
dynod, umieszczonych pomiędzy fotokatodą i anodą
Powstające w krysztale błyski świetlne podają na
powierzchnie fotokatody fotopowielacza, wywołując emisję
fotoelektronów, które wzmacniane są w kaskadowym
łańcuchu dynod, dzięki czemu na anodzie rejestrowany jest
impuls elektryczny proporcjonalny no natężenia światła
padającego na fotokatodę (patrz rysunek górny)
W praktyce powierzchnia kryształu pokrywana jest układem
fotopowielaczy, które połączone są elektronicznym
systemem rejestrującym
•
Problemy związane z detekcją promieniowania
okazane są na rysunku dolnym. Dla przypadku
idealnego (a) emisja błysku jest rejestrowana
bezpośrednio pod układem fotopowielacza.
Problem
nastręcza
szczególnie
efekt
rozproszenia Comptonowskiego (przypadki (b)
oraz (c) dla rozproszenia wielokrotnego) czy też
przejście promieniowania przez kryształ bez
interreakcji (d). Najczęściej efekt rozproszenia
ogranicza się poprzez stosowanie ołowianych
kolimatorów pomiędzy kryształem a układem
fotopowielaczy
Techniki obrazowania izotopowego
• Istnieje kilka głównych technik obrazowania izotopowego
• Scyntygrafia
• Technika planarna, obrazująca dwuwymiarowy rozkład
gromadzenia radiofarmaceutyku w płaszczyźnie
detektora
• Tomografia emisyjna pojedynczego fotonu (SPECT)
• Stanowiąca rozszerzenie techniki planarnej do
rejestracji
przestrzennego
rozkładu
radiofarmaceutyku, przez wprowadzeni obrotu układu
akwizycji
• Pozytonowa tomografia emisyjna (PET)
• Najbardziej
zaawansowana,
w
pełni
tomograficzna
Scyntygrafia (1)
•
•
•
•
Obrazowanie z wykorzystaniem gamma-kamery, najprostszego i najstarszego urządzenia
obrazującego medycyny nuklearnej, choć z powodzeniem stosowanego do dnia dzisiejszego
(rysunek na dole z lewej strony)
Podstawowy i najbardziej powszechny sposób obrazowania w medycynie nuklearnej,
odwzorowujący nagromadzenie podanego radiofarmaceutyku w płaszczyźnie detektora
Gamma-kamera składa się z typowego (opisanego wcześniej) układu rejestrującego o dużym
polu widzenia (detektor scyntylacyjny) wyposażony dodatkowo w analizator amplitudy oraz
układ komputerowej wizualizacji (patrz rysunek poniżej, prawy)
Wytworzone impulsy na anodach fotopowielaczy, proporcjonalne do natężenia rejestrowanych
błysków świetlnych, dzięki układowi analizatora amplitudy są przekodowywane w skale
szarości a układ komputerowej analizy zapewnia pozycjonowanie i wizualizację (wraz z
mapowaniem kolorów)
Źródła obrazków:
http://www.gehealthcare.com/usen/pre_owned_equipment/pre_owned_goldseal/products/millenniummps.htmlC
Scyntygrafia (2)
•
•
•
•
•
Badanie scyntygraficzne jest techniką o bardzo szerokim zastosowaniu, w tym diagnostyka kości,
nerek, układu nerwowego, serca, tarczycy, wątroby i innych. Wskazaniami do stosowania są
podejrzenia zmian nowotworowych lub przerzutów do kości.
Warto wskazać również na nietypowe, i ciekawe zastosowania scyntygrafii takie jak scyntygrafia
guzów sutka, scyntygrafia krwawienia z przewodu pokarmowego, scyntygrafia ślinianek, szpiku
kostnego, scyntygrafia żołądkowego zarzucania treści dwunastniczej , i inne.
Najczęściej stosowany radioizotopem wykorzystywanym w scyntygrafii jest metastabilny izotop
technetu 99mTc (ponad 80% badań diagnostycznych), o okresie połowicznego rozpadu 6 godzin.
Rzadziej wykorzystywanymi radioizotopami są izotopy jodu oraz galu.
Technet nie występuje w przyrodzie w sposób naturalny. Wytwarzany jest w reaktorach poprzez
rozbijanie neutronami jader uranu lub napromieniowania neutronami jąder molibdenu.
Przekładowe obrazy scyntygraficzne pokazano poniżej
scyntygrafia wątroby
Źródła obrazków:
http://www.5wszk.com.pl/nucmed/kliniczna_watroba_i_sledziona_stat.htm
scyntygrafia kości – przerzuty raka
prostaty do kości czaszki
SPECT (1)
•
•
•
•
Tomografia emisyjna pojedynczego fotonu SPECT stanowi rozszerzenie klasycznej techniki
scyntygraficznej
Metoda akwizycji wykorzystuje obrót źródła promieniowania i akwizycję dla różnych katów, co
umożliwia uzyskiwanie obrazów przekrojów dzięki wykorzystaniu matematycznych algorytmów
rekonstrukcji tomograficznej
W praktyce, obracany jest oczywiście nie pacjent, lecz ruchomą część urządzenia obrazującego
stanowi gamma-kamera (patrz obrazek na dole)
Dzięki akwizycji różnych aktywności izotopu rejestrowanych dla kolejnych kątów obserwacji,
otrzymujemy obraz
przestrzennego nagromadzenia radioframaceutyku, który oglądany jest
następnie w postaci przekrojów lub trójwymiarowych rekonstrukcji.
•
Pod względem działania i budowy urządzeń, metoda SPECT nie różni się w zupełności
od klasycznej scyntygrafii – pojedynczy pomiar dla poszczególnych kątów jest
klasycznym pomiarem planarnym z wykorzystaniem gammma-kamery zaś różnica w
samym procesie tworzenia obrazu wynika z zastosowania metod rekonstrukcji
tomograficznych (tworzenie obrazów z zbioru projekcji), których szczegółowa analiza
wykracza poza ramy niniejszego opracowania
Źródła obrazków:
http://astrophysics.fic.uni.lodz.pl/medtech/pakiet8/pakiet8.html
SPECT (2)
•
•
•
Technika SPECT znajduje szczególne zastosowanie w neurodiagnostyce, pozwalając
na diagnostykę zmian nowotworowych mózgu (badania przepływu mózgowego) zaś
tworzone przestrzenne mapy przepływów, zestawione z obrazami prawidłowej czynności
zdrowego mózgu, umożliwiają wnioskowanie o zmianach chorobowych natury
neurologicznej (zaburzenia psychiczne, choroby neurologiczne taki jak Alzheimer)
Najczęściej stosowany radioizotopem wykorzystywanym w SPECT jest podobnie jak w
scyntygrafii technet 99mTc
Przekładowe obrazy SPECT pokazano poniżej
obrazowanie udaru mózgu w
technice SPECT – udar w wierszu
górnym, brak udaru w dolnym
Źródła obrazków:
http://www.csmc.edu/9663.html
http://www.strokecenter.org/education/ais_imaging_tech/ais-oit-spect.htm
Rekonstrukcja 3D – dane ze SPECT
obrazujące chorobę Alzheimera
PET (1)
•
•
•
•
Pozytonowa tomografia emisyjna jest najbardziej zaawansowaną techniką obrazowania w medycynie nuklearnej
W technice tej podobnie jak w pozostałych metodach obrazowany jest stopień nagromadzenia radioframaceutyku
(aktywność znacznika). Odmienny i wysoce specyficzny dla tej metody jest sposób powstawania promieniowa.
Stosowane radioizotopy są krótko życiowymi izotopami (o czasie połowicznego rozpadu rzędu kilku minut) ulegająymi
rozpadowi β+, czyli przemianie w wyniku której następuje emisja cząstki zwanej pozytonem oraz neutrina. Pozyton nie
może istnieć samoistnie i zderzając się z elektronem ulega natychmiastowej anihilacji – przemianie materii w energie.
Powstają w ten sposób dwa kwanty promieniowania gamma o energii 511keV o przeciwnych kierunkach. Detekcja
promieniowania w technice PET polega właśnie na starannej selekcji i rejestracji tych koincydencji
Do detekcji wykorzystuje się detektory scyntylacyjne, choć w przeciwieństwie do gamma- kamery nie występuje tutaj
siatka detektorów pokrywające powierzchnię dużego kryształu lecz mamy do czynienia z układem pojedynczych
detektorów (mały kryształ + fotopowielacz) umieszczonych na okrągłym pierścieniu. Zadaniem układu
komputerowego, łączącego wszystkie detektory w pierścieniu jest detekcja jednoczesnej rejestracji fotonów w dwóch
przeciwległych detektorach w odpowiednim oknie czasowym (okno koincydencji). Problemem tych systemów jest
oczywiście dobór odpowiedniego okna czasowego (eliminacja promieniowania rozproszonego) oraz eliminacja tzw.
koincydencji przypadkowych (fałszywych) – patrz obrazki na dole.
a)
c)
b)
działanie układu detekcyjnego w systemie PET –
detekcja jednoczesnych koincydencji
Źródła obrazków:
http://astrophysics.fic.uni.lodz.pl/medtech/pakiet8/pakiet8.html
przykład detekcji prawidłowej (a)
rozproszonej (b) i przypadkowej (c)
PET (2)
•
•
•
•
•
•
Ze względu na charakter rozmieszczenia detektorów na pierścieni oraz sam obrót pierścienia , technika PET jest
techniką tomograficzną – obraz uzyskiwany jest w wyniku komputerowych rekonstrukcji z projekcji (pomiarów dla
różnych kątów)
Najpopularniejszymi izotopami stosowanymi w pozytonowej tomografii emisyjnej są izotopy fluoru (F18, zdecydowanie
najpopularniejszy) oraz azotu (N13) lub tlenu (O15) oraz inne
Ze względu na krótko życiowy charakter izotopów, konieczne jest wyposażanie pracowni PET we własne cyklotrony,
w których wytwarzane są izotopy na kilka chwil przed samym badanie
Technika PET znajduje podobnie jak SPECT zastosowanie w neurodiagnostyce choć z powodzeniem stosowana jest
do obrazowania różnych innych narządów. Wykonywane jest nawet badanie PET całego ciała, a technika PET
zapewnia najwyższą czułość badania ze wszystkich dostępnych badań obrazowych medycyny nuklearnej
Technikę PET łączy się często z badaniem CT, tworząc nową jakość multimodalnego obrazowania (fuzja obrazów)
która umożliwia jednoczesne dokładne odzwierciedlenie cech morfologicznych przy jednoczesnej wizualizacji
parametrów funkcjonalnych
Przykładowe obrazy PET pokazano poniżej
PET mózgu
PET-CT
Źródła obrazków:
http://www.virtualcancercentre.com/investigations.asp?sid=7&title=PET-(Positron-Emission-Tomography)
petscans.info/wholeBody.jpg
medicalphysics.duke.edu/pix/pet-ct.jpg
PET całego ciała
Radioterapia
• Radioterapia jest metodą diagnostyczną polegającą na
niszczeniu komórek nowotworowych za pomocą promieniowania
jonizującego
• Istotnym problemem radioterapii jest takie użycie promieniowania
(ustalenie dawki, pola naświetlania), aby zminimalizować
ewentualne ryzyko uszkodzenia sąsiednich tkanek
• Zasadniczo radioterapię dzieli się na teleradioterapię
oraz na brachyterapię
• W
teleradioterapii
źródło
promieniowania
umieszczane jest na zewnątrz, w pewnej odległości
od pacjenta, a zmiana nowotworowa jest naświetlana
odpowiednim rodzajem promieniowania
• W brachyterapii, zwanej też radioterapią kontaktową,
źródło
promieniowania
umieszczane
jest
bezpośrednio w guzie lub jego okolicy (w jamach
ciała)
Teleradioterapia (1)
• Teleradioterapia
jest
najczęstszą
formą
leczenia
radioterapeutycznego
• Stosowane są różne źródła promieniowania do naświetlania
zmian patologicznych:
• promieniowanie o naturze elektromagnetycznej,
generowane przez urządzenia: promieniowanie X
• promieniowanie o naturze elektromagnetycznej,
pochodzenia naturalnego (naturalne pierwiastki
promieniotwórcze) i sztucznego : promieniowanie γ
• promieniowanie o naturze cząsteczkowej, jonizujące
bezpośrednio: elektrony, protony, cząstki α, ciężkie
jony
• promieniowanie o naturze cząsteczkowej, jonizujące
pośrednio: neutrony
Teleradioterapia (2)
•
•
•
•
Najstarszymi urządzeniami do teleradioterapii są akceleratory linowe
W urządzeniach tych znajduje się tzw. działko elektronowe emitujące wiązkę elektronową,
przyspieszaną w zewnętrznym polu elektrycznym wysokiej częstotliwości, do energii około
kilkunastu MeV (budowa akceleratora liniowego – patrz rysunek poniżej)
Do terapii można zastosować bezpośrednio wiązkę elektronową lub wiązka może być skierowana
na metalowy cel, dla wyhamowania wiązki i wytworzenia promieni X, które następnie wykorzystuje
się terapeutycznie do głębszych naświetleń
Wiązka przyspieszonych elektronów jest formowana przy wykorzystaniu systemu magnesów i
soczewek magnetycznych oraz wyrównywana (folie rozpraszające, kolimatory dla promieni X)
Akcelerator liniowy firmy Siemens
Budowa akceleratora liniowego
Źródła obrazków:
Z. Hrynkiewicz, E. Rokita, Fizyczne metody diagnostyki medycznej i terapii, PWN, Warszawa. 2000
http://www.siemens.pl/home/siemens_med_oncor_impression.asp
Teleradioterapia (3)
• Najbardziej rozpowszechnionymi od lat 50-tych urządzeniami do
radioterapii są aparaty kobaltowe zwana również bombami
kobaltowymi
• Wykorzystują one do działania produkowany sztucznie izotop
kobaltu Co-60 o okresie połowicznego rozpadu 5,26 lat
• Izotop ten emituje dwa fotony γ o efektywnej energii 1,25 MeV
• Aparaty te są cenione za swoją prostotę i niezawodność oraz
powszechną dostępność i niskie koszty leczenia
Budowa bomby kobaltowej
Bomba kobaltowa
Źródła obrazków:
Z. Hrynkiewicz, E. Rokita, Fizyczne metody diagnostyki medycznej i terapii, PWN, Warszawa. 2000
http://www.fizyka.net.pl/ciekawostki/ciekawostki_m4.html
Teleradioterapia (4)
• Najnowocześniejsze osiągnięcia teleradioterapii to terapia
hadronowa
• W terapii hadronowej do naświetlania wykorzystuje się ciężkie
cząstki naładowane (protony, jony, mezony π ) oraz neutralne
(neutrony)
• Zaletami terapii hadronowej jest stosunkowa mała
inwazyjność
(w odniesieniu do pozostałych technik
radioterapeutycznych)
i
brak
dużych
powikłań
popromiennych. Zalety te wynikają z faktu, że wiązką
ciężkich cząstek można sterować dużo bardziej precyzyjnie
przy jednoczesnej minimalizacji czasu naświetlania
• Początkowo dużym ograniczeniem
dla
terapii
hadronowej były warunki techniczne związane z
koniecznością akceleracji ciężkich cząstek, stąd terapia
możliwa była jedynie przy wielkich laboratoriach
fizycznych. Obecny postęp technologiczny dopasowuje
terapię hadronową do warunków szpitalnych
Brachyterapia i terapia izotopowa
•
•
•
•
Brachyterapia jest techniką radioterapii polegającą na bezpośrednim umiejscowieniu
źródła promieniowa w okolicy lub w samej zmianie nowotworowej
Wadami tej techniki jest skomplikowany proces planowania leczenia jak i samej
implementacji izotopów (trudność dotarcia od niektórych miejsc i organów) oraz dość
duże dawki promieniowania
Niewątpliwą zaletą jest za to precyzja, która jest możliwa do osiągnięcia w przypadku
terapii miejsc dobrze dostępnych (ogranicza to narażenie sąsiadujących tkanek)
Źródła promieniowania umieszczane są w specjalnych aplikatorach zaś rzadziej
stosuje się źródła w postaci stałej (np. igły)
• Izotopy stosowane w brachyterapii to izotopy irydu, kobaltu, cezu,
jodu, tantalu, radu, fosforu, palladu i złota
• Odmianą metod radioterapeutycznych jest też wywodząca się z
medycyny nuklearnej radioterapia izotopowa polegająca na podaniu
radioaktywnego radiofarmaceutyku, w postaci otwartego źródła
promieniowania (doustnie, domięśniowo, dożylnie). Niestety nie jest
możliwe dokładne określenie rozkładu dawki ze względu na
zróżnicowaną dynamikę wychwytu i wchłaniania radiofarmaceutyku
• Izotopy stosowane w radioterapii izotopowej to głównie izotopy jodu,
fosforu i strontu
Literatura
• Z. Hrynkiewicz, E. Rokita, Fizyczne metody
diagnostyki medycznej i terapii, PWN, Warszawa.
2000
• B. Pruszyński red., Diagnostyka obrazowa:
podstawy teoretyczne i metodyka badań.
Warszawa, Wydawnictwo Lekarskie PZWL, 2000
• J. Moore (Editor), G. Zouridakis (Editor),
Biomedical Technology and Devices Handbook,
CRC, 2003
• Serwis internetowy „Technika w medycynie”
http://astrophysics.fic.uni.lodz.pl/medtech/start.html
• Wikipedia http://pl.wikipedia.org/wiki/