Az ionizáló sugárzás terápiás alkalmazásai KE Egészségtudományi Centrum, Kaposvár

Tartalom Egy kis tudománytörténet Fizikai alapok Sugárforrások Dózisfogalmak Ionizációs sugárzás mérése Dóziseloszlás és szórásanalízis Jelen és jövő

Egy kis tudománytörténet

1895: Konrad Röntgen – X-sugár

1895 november: „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 alapok

közvetlenül (e-, p+, stb.) I sugárzás nem-ionizáló ionizáló közvetlenül (e-, p+, stb.) közvetve (n, foton, stb.) Direkt v. indirekt ionizáló sugárzás: -diagnosztikai célú alkalmazás: radiológia, nukleáris medicina -terápiás alkalmazás: sugárterápia

Sugárterápia -Teleterápia brachyterápia

röntgen- vagy gammasugár áthalad a közegen ↓ kölcsönhatás (kh.) a fotonok és az anyag között energia adódik át a közegnek

energia-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 anyaggal 5-féle lehet: Koherens szórás Fotoelektromos hatás Compton-hatás Párkeltés Fotodezintegráció (ez csak nagyon nagy (>10 MeV) fotonenergiáknál számottevő – most nem vizsgáljuk)

Sugárforrások

b. 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.

1. Kilovoltos készülékek Grenz-sugár (Bucky-sugár, határsugár) terápia: <20 kV Kontakt terápia: 40-50 kV Felületi terápia: 50-150 kV Ortovoltos- vagy mélyterápia: 150-500kV Szupervoltos terápia: 500-1000 kV

2. Megavoltos készülékek Van de Graaff generátor Betatron Mikrotron Ciklotron Szinkrotron γ-besugárzó készülékek (pl. Co-60) Lineáris gyorsító

Lineáris 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 magnetron nagyteljesítményű oszcillátor, másodpercenként többszáz, néhány μs-os, kb. 3000 MHz-es mikrohullámú impulzust generál A klisztron mikrohullámot nem előállít, csak erősít → szükség van a meghajtásához egy kis teljesítményű mikrohullámú oszcillátorra (magnetron)

Dózis-fogalmak

Elnyelt dózisteljesítmény (D’) 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 dózisteljesítmény (X’) 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 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 teljesítmény (H’) 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 0,20 Csontvelő (vörös) 0,12 Vastagbél 0,12 Tüdő 0,12 Gyomor 0,12 Hólyag 0,05 Emlő 0,05 Máj 0,05 Nyelőcső 0,05 Pajzsmirigy 0,05 Bőr 0,01 Csontfelszín 0,01 Maradék 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 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 mérése

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 ~ sugárzás De: ezek csak durva becslésre voltak jók!

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

Plasztik-szcintillációs detektor Gyémánt-doziméter Félvezető dozimetria Szilícium-diódás MOSFET Alanin/EPR detektor Plasztik-szcintillációs detektor Gyémánt-doziméter Gél-doziméter (Fricke-gél, polimer gél)

Dóziseloszlás és Szórás Analízis

Bevezetés Ritkán lehetséges a dózis sugárkezelt betegen belüli direkt mérése Fantomok 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

Fantomok Vízfantom Szilárdfantom Emberalakú-fantom Pl. szilárdvíz-fantom Emberalakú-fantom

Mélydózis-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 jövő

Köszönöm a figyelmet!