Az ionizáló sugárzás terápiás alkalmazásai

Az ionizáló sugárzás terápiás Az ionizáló sugárzás terápiás alkalmazásaialkalmazásai

KE Egészségtudományi Centrum, Kaposvár

TartalomTartalom

Egy kis tudománytörténetFizikai alapokSugárforrásokDózisfogalmakIonizációs sugárzás méréseDóziseloszlás és szórásanalízisJelen és jövő

Egy kis tudománytörténetEgy kis tudománytörténet

1895: Konrad Röntgen – X-sugár

1895 1895 novembernovember: „Bertha keze”: „Bertha keze”

– Első bemutató-előadás „Kölliker gyűrűsujja” december

– 1896. január: „kés egy részeg tengerész hátában” – röntgendiagnosztika

– Néhány hónap múlva: radiológus munkás megkopaszodása – biológiai hatás

– 1897: Wilhelm Alexander Freund német sebész: jóindulatú hajas (trichilemmalis) tumorok röntgenes kezelése – sugárterápia

– 1896-98: Antoin Becquerel, Marie Curie – gamma sugarak (Ra, U)

Sugárbiológiai kísérletek:– „Becquerel mellényzsebben felejtett rádiumos konténere” –

pír, fekélyek– 1901 – Curie megismétli ezt a „kísérletet”– További rendszeres tanulmányozás gátja: megfelelő

dozimetria hiánya (akkori egység: bőr-erythema dózis)– 1928 – röntgen (R) bevezetése: sugárzás levegőt ionizáló

képességének számításán alapul (Szilárd Leó: már 1914-ben alkalmazta!)

Nagy előny: levegő és élő szervezet alkotóelemeinek rendszáma hasonló: energiaabszorpciós viszonyok is hasonlóak

Fizikai alapokFizikai alapok

IIsugárzássugárzás

nem-ionizálónem-ionizáló

ionizálóionizáló

közvetlenül (eközvetlenül (e--, p, p++, stb.), stb.)

közvetve (n, foton, stb.)közvetve (n, foton, stb.)

Direkt v. indirekt ionizáló sugárzás:Direkt v. indirekt ionizáló sugárzás:

-diagnosztikai célú alkalmazás: radiológia, nukleáris medicina-diagnosztikai célú alkalmazás: radiológia, nukleáris medicina

-terápiás alkalmazás: sugárterápia-terápiás alkalmazás: sugárterápia

SugárterápiaSugárterápia

-Teleterápia

– brachyterápia

röntgen- vagy gammasugár áthalad a közegen

↓kölcsönhatás (kh.) a fotonok és

az anyag között↓

energia adódik át a közegnek

energia-átadásenergia-átadás e--ok kilökése az elnyelő közeg atomjaiból ezen e--ok energiaátadása útjuk során:

- atomok ionizálásával- atomok gerjesztésével

ha az elnyelő közeg testszövet:- elegendő energia adódhat át a sejtekbe a reproduktív képességük elpusztításához- ám az elnyelt energia zöme hővé alakul (biológiai hatás kiváltása nélkül)

Fotonok kh.-ai az anyaggalFotonok kh.-ai az anyaggal 5-féle lehet:

1. Koherens szórás2. Fotoelektromos hatás3. Compton-hatás4. Párkeltés5. Fotodezintegráció (ez csak nagyon nagy (>10

MeV) fotonenergiáknál számottevő – most nem vizsgáljuk)

SugárforrásokSugárforrások

b.b. működése:működése:

Katód fűtése↓

termikus emisszió (szabad elektronok)↓

gyorsítás nagyfeszültséggel↓

anódba csapódás↓

röntgensugár!

durva szabály a röntgensugárra:Eátlag≈⅓Emax „egyharmados szabály”

természetesen ezt jelentősen változtathatja a szűrés

Másik jellemző: felezőréteg-vastagság (half-value layer: HVL)- sugárterápiában ez elég nekünk, nem annyira érdekes a sugár spektruma.

0

1.1. Kilovoltos készülékekKilovoltos készülékek

a) Grenz-sugár (Bucky-sugár, határsugár) terápia: <20 kV

b) Kontakt terápia: 40-50 kVc) Felületi terápia: 50-150 kVd) Ortovoltos- vagy mélyterápia: 150-500kVe) Szupervoltos terápia: 500-1000 kV

2.2. Megavoltos készülékekMegavoltos készülékek

Van de Graaff generátorBetatronMikrotronCiklotronSzinkrotronγ-besugárzó készülékek (pl. Co-60)Lineáris gyorsító

Lineáris gyorsítóLineáris gyorsító

linear accelerator (linac)nagyfrekvenciás elektromágneses hullám nagy

energiára gyorsít töltött részecskét (pl. e--t) egy egyenes csőben

maga a gyorsított e- felszínes tumorok kezelésére alkalmas

ha targetbe ütközik: nagyenergiájú foton-nyaláb: mélyebben fekvő tumorokhoz

A. A magnetron- nagyteljesítményű oszcillátor, másodpercenként

többszáz, néhány μs-os, kb. 3000 MHz-es mikrohullámú impulzust generál

B. A klisztron mikrohullámot nem előállít, csak erősít →

szükség van a meghajtásához egy kis teljesítményű mikrohullámú oszcillátorra (magnetron)

Dózis-fogalmakDózis-fogalmak

Elnyelt dózis (D)– D=dE/dm, ahol dE az ionizáló sugárzás hatására az

anyag térfogatelemének dm tömegében elnyelt energiának az átlagértéke. Mértékegysége: gray (Gy) (régen: rad)

– Gray: egységnyi tömegben elnyelt energia. 1Gy=1J/kg (1 rad=10-2 Gy)

Elnyelt dózisteljesítmény (D’)– D’=dD/dt. Mértékegysége: Gy/s (Gy/min, mGy/h) (időegységre jutó elnyelt dózis)

Besugárzási dózis (X)– X=dQ/dm, ahol dQ a levegőben keletkezett

töltések mennyisége, dm a levegő tömege az adott térfogatelemben. Mértékegysége:C/kg.

– Coulomb: (C) a töltés mértékegysége (régen: Röntgen (R) 1R=2,58·10-4 C/kg)

Besugárzási dózisteljesítmény (X’)– X’=dX/dt.)– 1 R/s a besugárzási dózisteljesítmény, ha 1 kg

levegőben 1,61x1015 számú ionpár keletkezik 1 másodperc alatt.

Kapcsolat az elnyelt- és a Kapcsolat az elnyelt- és a besugárzási dózis között besugárzási dózis között

Fotonsugárzások levegővel való kölcsönhatásai során pozitív-negatív töltésű ionpárok létrehozásához 33.7 eV energia szükséges. A megfelelő átszámítások után: 1 R=0,0087 Gy– Ha lágy testszövet 1 kg tömegét helyezzük a tér azon

pontjába, ahol a levegőben elnyelt dózis 0,0087 Gy volt, ugyanilyen sugáradag esetén a lágy testszövetben nagyobb energia nyelődik el kb. 0,0096 Gy.

1,1Dlevegő(Gy) 1Dtestszövet(Gy) 1H (Sv) 100 R

Egyenérték dózis (H)– H=wrx D, ahol w sugárzási súlytényező, D az

adott szövetben vagy szervben elnyelt dózis átlagértéke. wr megállapításánál a sugárzások biológiai hatásait vesszük figyelembe (a sugárzás fajtájára jellemző).

– Mértékegysége: Sievert. (J/kg)Egyenérték-dózis teljesítmény (H’)

– H’=dH/dt. Mértékegysége: Sv/s

sugárzás típusa energiatartománya Sugárzási súlytényező Wr

Fotonok teljes energiatartomány 1

Elektronok és müonok teljes energiatartomány 1

Neutronok <10 keV 5 10 keV - 100 keV 10

100 keV - 2 MeV 20 2 MeV - 20 MeV 10 >20 MeV 5

Protonok (kivéve: visszalökött protonok) >2 MeV 5

Alfa-részecskék, hasadási töredékek,nehéz magok - 20

Effektív dózis egyenérték (E)- Az emberi test összes szövetére vagy szervére

vonatkozott egyenérték dózisok összege. ( pl. azonos egyenérték dózissal besugározva az ivarmirigyet illetve a pajzsmirigyet, a várható sugárkárosodás mértéke nagyobb lesz az ivarmirigyek esetén.)

- E=ΣwT x H, ahol wT a szöveti súlytényező

- Kollektív dózis: egy népesség (vagy egy része) által összesen kapott dózismennyiség. Egysége: személy·Sv.

Egyes szövetek sugárvédelemben használt súlytényezője:Testszövet vagy szerv Súlytényező, wT

ivarszervek 0,20Csontvelő (vörös) 0,12Vastagbél 0,12Tüdő 0,12Gyomor 0,12Hólyag 0,05Emlő 0,05Máj 0,05Nyelőcső 0,05Pajzsmirigy 0,05Bőr 0,01Csontfelszín 0,01Maradék 0,05

Lineáris energiaátadás (LET érték): A sugárzást elnyelő anyagban egységnyi úthosszon, a közvetlenül ionizáló részecskék által leadott energia. Számértéke a sugárzás fajtájától és az elnyelőközeg tulajdonságaitól függ.

Tipikus LET-értékek általánosan használt sugárzásokra:

- 250 kVp röntgen : 2 keV/μm- Co-60 gamma : 0,3 keV/μm- 3 MeV röntgen: 0,3 keV/μm- 1 MeV elektron : 0,25 keV/μm

Relatív biológiai hatékonyság (Relative Biological Effectiveness=RBE)- A 250 kV-os röntgensugárhoz van viszonyítva- számítási mód az adott sugárzásra:D250/Dx , ahol D250 és Dx a 250 kV-os röntgen- és a kérdéses sugár azonos biológiai hatást létrehozó dózisai

Sugárhatások típusa és jellegeSugárhatások típusa és jellege A determinisztikus hatás

– A determinisztikus hatás minden esetben megjelenik, ha a dózis a küszöbértéket meghaladja. Ennél a hatásmechanizmusnál a kiváltott károsodás mértéke arányos a dózissal. Determinisztikus hatásra 0,5Sv=500mSv felett számíthatunk.

A sztochasztikus hatás– A károsodások valószínűség-elmélettel írhatók

le, bekövetkezésük csak valószínűsíthető, valószínűsége a dózis növekedésével lineárisan növekszik.

Az ionizációs sugárzás Az ionizációs sugárzás mérésemérése

A röntgensugár diagnosztikus és terápiás „hőskorában”: - kísérletek az ionizáló sugárzás kémiai és biológiai hatásain alapuló mérésére:- fotográfiás emulzió (feketedés)- kémiai vegyület (elszíneződés)- emberi bőr (vörösödés)

Feltételezés: hatás ~ sugárzásDe: ezek csak durva becslésre voltak jók!

Szabadlevegő-ionizációs kamra Gyűszűkamrák (kondenzátorkamra, gyűszűkamra) Farmer-kamra Extrapolációs kamra Plán-paralel kamra Filmdozimetria TLD

Félvezető dozimetria– Szilícium-diódás– MOSFET

Alanin/EPR detektorPlasztik-szcintillációs detektorGyémánt-doziméterGél-doziméter (Fricke-gél, polimer gél)

Dóziseloszlás és Szórás Dóziseloszlás és Szórás AnalízisAnalízis

BevezetésBevezetésRitkán lehetséges a dózis sugárkezelt

betegen belüli direkt méréseFantomok

– szövetekvivalens anyagok– elég nagyok, hogy teljes szórási feltételeket

adjanak egy adott sugárra– ezek a mért adatok használhatók fel a

dózisszámoló rendszerben a valódi betegben kialakuló dóziseloszlás számolására

FantomokFantomok

VízfantomSzilárdfantom

– Pl. szilárdvíz-fantomEmberalakú-fantom

Mélydózis-eloszlásMélydózis-eloszlás

a betegre (vagy fantomra) eső nyalábnál az elnyelt dózis változik a mélységgel

ez a változás függ:– sugárzás energiájától– mélységtől– mezőmérettől– forrástól mért távolságtól– mezőkollimációs rendszertől

A jövőA jövő

Köszönöm a figyelmet!Köszönöm a figyelmet!