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!