Strahlenphysik, Medizinische Anwendungen

Strahlenphysik
Medizinische Anwendungen
K. Poljanc
Atominstitut der Österreichischen Universitäten, TU-Wien
[email protected], Tel: +43 1 58801 141 91
www.ati.ac.at
k.poljanc
Physik der ionisierenden Strahlung
ƒ Atom Æ Elektron wird abgelöst
ƒ Ionisationsenergie
ƒ typische Werte sind 10eV (Elektronenvolt), was
der aufgenommenen Energie für ein Elektron beim
Durchlaufen einer Beschleunigungsspannung von
nur 10V entspricht.
Protonenmasse ~ Neutronenmasse
Protonenmasse ~ 2000 x Elektronenmasse
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Themenschwerpunkte
ƒ Diagnostik
ƒ Nuklearmedizin
ƒ Strahlentherapie
ƒ Brachytherapie
ƒ Konventionelle Strahlentherapie mit Photonen und
Elektronen (Tele-Therapie)
ƒ Protonen- und Ionentherapie
k.poljanc
Conrad Wilhelm Röntgen
V
A
K
k.poljanc
Ziele der Diagnostik
ƒ Verringerung der Patientendosis bei gleicher
diagnostischer Fragestellung und gleicher
Qualität
ƒ Analog (Film), digital (Bildplatte)
ƒ Verknüpfung mehrer diagnostischer
Verfahren (CT, MR, PET, US, ...)
ƒ Qualitätskontrolle und Qualitätssicherung
ƒ Reduktion des Datenmaterials (Hardcopy,
File)
ƒ ....
k.poljanc
Röntgendiagnostische Anwendungen,
Klassische Verfahren
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Analoge und digitale Bildverarbeitung
Durchleuchtung
Angiographie
Optimierte Mammographie
Röntgencomputertomographie (Dichteverteilung
des Gewebes in Transversalschnitten – 1000
Graustufen)
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Diagnostik
ƒ CT (Computertomographie)
ƒ MRI (Magnet Resonance Imaging)
ƒ PET (Positron Emission Tomography)
ƒ Szintigraphie, ...
Jänner 1989
Juli 1991
Tumor
Jänner 1993
Juni 1993
Knochenmetastasen nach Prostata Ca.
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CT-Prinzip
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Schichtaufnahmen
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Themenschwerpunkte
ƒ Diagnostik
ƒ Nuklearmedizin
ƒ Strahlentherapie
ƒ Brachytherapie
ƒ Konventionelle Strahlentherapie mit Photonen und
Elektronen (Tele-Therapie)
ƒ Protonen- und Ionentherapie
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Schilddrüse
unauffällig
Knoten links
Sonographie
Ausgeprägte Beschwerden
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Scanner
Vorverstärker
Verstärker
PHA
Photomultipler
NaI (Tl)
Kollimator
Photorekorder
d
Dicke (t)
Fokale Länge (f)
Fokus
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Anger Kamera
ƒ Diagnostik z.B.:
Schilddrüsenfunktion
(131I), Metastasen,
Physiologische- und
Stoffwechselprozesse
ƒ DA über QA in der
Bildgebung, Filter, ...
(SMZ-OST)
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Nuklearmedizin
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Ganzkörperzähler, Kalibrierung (alle γ-Strahler)
Aktivitätsverteilung: räumlich und zeitlich
Kamera: Optimierung Kollimator und System
Auflösungsvermögen: ±1cm, diagnostische Bedeutung,
Strahlenschutz, Personal (offene Quellen,
Katastrophenschutz)
ƒ
ƒ
Therapie: Dosierung, Leakage
Radiosynovektomie, Knochenmetastasen – Samarium
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Klinischer Ganzkörperzähler
AKH-Wien
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Forschungsaktivitäten am Institut für
Nuklearmedizin, AKH-Wien, Klinischer
Ganzkörperzähler
ƒ Biodistibution von 165Dy-DFH
(Dysprosium-Ferric-Hydroxide);
Verteilung von radioaktiven
Substanzen (H. Fischer, Ulrike Prüfert,
H. Aiginger, Ch. Pirich, E. Havlik, H.
Sinzinger)
ƒ Radiation Synovectomy von
chronischen rheumatischen
Veränderungen als Alternative
zum chirurgischen Eingriff
ƒ Dosisverteilung
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Aktivität in Lymphknoten
Diss. Helmut
Fischer
ƒ Applizierte Dosis ~1GBq von
166Ho-Ferric-Hydroxide
ƒ Kalibrierter klinischer
Ganzkörperzähler (4 Detektoren)
ƒ Ortsauflösungesvermögen ±1cm
ƒ Profil Scann führt zu einer
quantitativen Verteilung von 166HoFerric-Hydroxide im Knie und in
anderen Organen (leakage)
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166Ho-Ferric-Hydroxide
1 day
3 days
ƒ Charakteristische
Gamma Line: 81 keV
7 days
Lymphknoten
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Knochenmetastasen
ƒ Palliative Therapie von Knochenmetastasen
mit 153Sm-EDTMP Ethylen-
DiamineTetraMethylene Phosphonate
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Hochempfindlicher Ganzkörperzähler
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Themenschwerpunkte
ƒ Diagnostik
ƒ Nuklearmedizin
ƒ Strahlentherapie
ƒ Brachytherapie
ƒ Konventionelle Strahlentherapie mit Photonen und
Elektronen (Tele-Therapie)
ƒ Protonen- und Ionentherapie
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Tumortherapie
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Was ist ein Tumor?
ƒ Ansammlung von Zellen, die an der Stelle im
gesunden Körper nicht in dieser Form /nicht so
zahlreich auftritt.
ƒ Unterscheidung von Tumoren
ƒ Benigne (= gutartige)
ƒ Maligne (= bösartige)
• Karzinome (90%), z.B.: Mamma Ca., Prostata Ca., ... immer von
der Oberfläche (Organoberfläche) ausgehend
– z.B.: menschlicher Darm (Länge 9m, Oberfläche 300m², täglich eine
neue Zellschichte!)
• Sarkome (5%), aus dem Bindegewebe (Knochen, Knorpel,
Muskel, ...), Reproduktion: 6 Wochen
• Leukämie (5%), aus den blutbildenden Vorläuferzellen
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Zellen - Reproduktion
ƒ Durchschnittsmensch: 70 kg = 3x1013 Zellen
3
ƒ Täglicher Verlust an Zellen: 10 dag = ( 7 )1011
Zellen
ƒ Körper produziert 43 000 000 000 Zellen täglich!
ƒ Haut (20 Schichten): kompletter Wechsel alle 3-4
Wochen
ƒ Knochenmark: 120 Mio. Erythozyten / min.
ƒ Granolozyten = „Abwehrprofis“, Lebensdauer 7h
ƒ Pro Menschenleben (80 Jahre): ca 2500kg á1012
Zellen
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Stand der Krebstherapie in Europa
Tod durch
Primärtumor
18%
geheilt durch Chirurgie
45%
37%
Tod durch
Metastase
geheilt
geheilt durch Strahlentherapie
geheilt durch Chirurgie und Strahlentherapie
geheilt durch Chem otherapie
¾
In Österreich treten jährlich etwa 34.400 neue
Krebserkrankungen auf (für das Jahr 2000).
¾
Im Jahr 2010 wird in Europa jeder 3. Mensch an Krebs sterben.k.poljanc
Brachytherapie
ƒ Anwendung umschlossener radioaktiver
Quellen
ƒ Anwendungsformen
ƒ Kontakttherapie (Kontakt zur Körperoberfläche
z.B. in Körperhöhlen), Bestrahlungsgeometrie mit
Applikatoren festgelegt
ƒ Interstitielle Therapie: Strahler in Form von
Nadeln, Drähten, Seeds (z.B. 198Au, 125I mit
kurzen τ1/2 oder 137Cs mit langen τ1/2 Æ temporäre
Applikatoren, die wieder entfernt werden.)
ƒ Afterloadinganlagen
•
•
•
•
•
•
•
Lungentumoren
Speiseröhrentumore
Gynäkologische Tumoren, einschließlich Brusttumoren
Kopf-Halsbereich-Tumoren
Darmtumor (Enddarm) nur in Ausnahmefällen
Tumoren der männlichen Genitalien
Weichteiltumoren einschließlich der Haut
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Kopf eines Afterloading - Gerätes
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Strahlenquellen für Afterloading
Nuklid
τ1/2
Zerfall
Eβ,max
[MeV]
Eβ,Mittel
[MeV]
Eγ
[keV]
Eγ,Mittel
[keV]
60Co
5,27a
β−
0,331
0,095
1173,1332
1253
137Cs
30,14a
β−
0,51; 1,18
0,18
662
662
192Ir
73,8d
K, β−
0,17
0,17
296-612
375
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Angioplastie und Stenttherapie
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Endovasculäre Brachytherapie
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Konventionelle Strahlentherapie
(Tele-Therapie)
ƒ Therapie im Nomalabstand von 100 cm
ƒ Bremsstrahlung (LINAC) oder radioaktive
Quelle (60Co)
ƒ In Abhängigkeit von der Tumorart und dem
Fortschritt der Erkrankung werden Dosen bis zu
ca. 75 Gy in Fraktionen zu 1,8-2 Gy (~5x
wöchentlich) lokal verabreicht.
ƒ Ganzkörperbestrahlung bei Leukämie oder
anderen den ganzen Organismus befallenden
Erkrankungen (10 Gy)
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k.poljanc
Teletherapie mit Linac
ƒ LINAC (Linear Accelerator)
ƒ Elektronen, Photonen
k.poljanc
Bestrahlungsplanung
k.poljanc
Rekonstruktion
k.poljanc
Qualitätskontrolle /
Qualitätssicherung
Phantommessungen am Linac
Ionisationskammer
k.poljanc
Eindringverhalten in Gewebe
Photonentherapie
Protonen- und
Ionentherapie.
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Tiefendosisverhalten
Energieabgabe
Photonen
Spread out Bragg Peak
(SOBP)
Querprofil
Protonen
Plateau
Singel Bragg Peak
(SBP)
Eindringtiefe
k.poljanc
Photonen vs. Protonen vs. IonenTherapie
k.poljanc
Biologie Zellüberleben
k.poljanc
Synchrotrone - Kreisbeschleuniger
HIMAC / Japan
LEAR /Cern
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Prot 2 Felder
Prot 4 Felder
Phot 4 Felder
Prot 6 Felder
k.poljanc
Lehrveranstaltungsangebot
Aiginger, Poljanc
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
101.028 - VO - Einführung in die Biomedizinische Technik - WS'05 2,0
141.034 - PR - Projektarbeiten über Strahlungsmessung u. angew. Sp. - WS'05 8,0
oder SS'05 8,0
141.037 - PR - Projektarbeiten über Beschleunigeranwendungen - WS'05 8,0
oder SS'05 8,0
141.039 - PR - Projektarb. über physikalische Methoden i. d. Med. - WS'05 8,0
oder SS'05 8,0
141.040 - PV - Privatissimum für Diplomanden angew. Strahlenphysik - WS'05 8,0
oder SS'05 8,0
141.079 - PR - Projektarbeiten aus angew. Strahlenph. - WS'05 8,0 oder SS'06 8,0
141.146 - SV - Strahlenphys. Methoden in der Medizin - SS'06 2,0
141.191 - PV - Priv.f.Dipl.u.Diss.aus angew. Strahlenphysik - WS'05 8,0 oder SS'06
5,0
141.361 - PR - Prakt. am Van De Graaff Beschl. - WS'05 4,0
141.405 - SV - Strahlenphysik - SS'06 3,0
141.416 - PR - Prakt. Übungen aus Strahlenphysik - WS'05 4,0 oder SS'06 4,0
141.556 - LU - Radioakt.u.Kernerg.in Umwelt u.Technik - WS'05 4,0 und SS'06 4,0
141.599 - VO - Str.Phys.u.Ges.Aspekte d.Strahlenschutz. - WS'05 2,0
141.905 - SE - Strahlenphys. Anw. in Technik u.Medizin - WS'05 2,0 und SS'06 2,0
141.944 - SV - Teilchenbeschleuniger - WS'05 3,0
k.poljanc