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!