Az ionizáló sugárzás terápiás alkalmazásai

Az előadások a következő témára: "Az ionizáló sugárzás terápiás alkalmazásai"— Előadás másolata:

1 Az ionizáló sugárzás terápiás alkalmazásai
KE Egészségtudományi Centrum, Kaposvár

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

3 Egy kis tudománytörténet

4 1895: Konrad Röntgen – X-sugár

5 1895 november: „Bertha keze”

6 Első bemutató-előadás
„Kölliker gyűrűsujja” december

7 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 : Antoin Becquerel, Marie Curie – gamma sugarak (Ra, U)

8

9 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

10 Fizikai alapok

11 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

12 Sugárterápia -Teleterápia brachyterápia

13

14

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

16 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)

17 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)

18

19

20

21

22

23 Sugárforrások

24

25 b. működése: Katód fűtése ↓ termikus emisszió (szabad elektronok)
gyorsítás nagyfeszültséggel anódba csapódás röntgensugár!

26

27 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.

28

29

30 1. Kilovoltos készülékek
Grenz-sugár (Bucky-sugár, határsugár) terápia: <20 kV Kontakt terápia: kV Felületi terápia: kV Ortovoltos- vagy mélyterápia: kV Szupervoltos terápia: kV

31

32

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

34

35

36

37

38

39 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

40

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

42

43

44

45

46 Dózis-fogalmak

47 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)

48 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.

49 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

50 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

51 sugárzás típusa energiatartománya Sugárzási súlytényező Wr
Fotonok teljes energiatartomány 1 Elektronok és müonok teljes energiatartomány 1 Neutronok <10 keV 5 10 keV keV 10 100 keV MeV 20 2 MeV MeV 10 >20 MeV 5 Protonok (kivéve: visszalökött protonok) >2 MeV 5 Alfa-részecskék, hasadási töredékek, nehéz magok

52 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.

53 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 ,05 Nyelőcső 0,05 Pajzsmirigy 0,05 Bőr ,01 Csontfelszín 0,01 Maradék 0,05

54 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.

55 Tipikus LET-értékek általánosan használt sugárzásokra:
- 250 kVp röntgen : keV/μm - Co-60 gamma : 0,3 keV/μm - 3 MeV röntgen : 0,3 keV/μm - 1 MeV elektron : 0,25 keV/μm

56 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

57 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.

58 Az ionizációs sugárzás mérése

59 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!

60

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

62

63

64

65

66

67

68

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

70

71

72 Dóziseloszlás és Szórás Analízis

73 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

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

75

76 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

77

78

79 A jövő

80

81

82

83

84

85

86 Köszönöm a figyelmet!