Metody radiacyjne w medycynie

1
Metody radiacyjne w medycynie
diagnostyka izotopowa, radioterapia z uzyciem
promieniowania gamma, elektronów, mezonów (pi-) i
ciezkich jonów
opracowanie w ramach przedmiotu Metody i
Technologie Jadrowe autor mgr inz. Rafal
Józwiak Warszawa, 27.01.2009 r.
2
Metody radiacyjne w medycynie

• Opracowanie to dotyczy zastosowania metod
  radiacyjnych (wykorzystujacych promieniowanie
  jonizujace) w medycynie, a w szczególnosci metod
  opierajacych sie na wykorzystaniu izotopów
  promieniotwórczych

• W przeciwienstwie do calej grupy metod
  radiacyjnych stosowanych we wspólczesnej
  medycynie w niniejszym opracowaniu w czesci
  obejmujacej diagnostyke (obrazowanie) skupiono
  sie na metodach opierajacych sie na wykorzystaniu
  radioizotopów promieniotwórczych ta galaz
  medycyny okreslana jest mianem medycyny
  nuklearnej
• Zaprezentowane zostana zagadnienia zwiazane
  zarówno z aspektami diagnostyki medycyny
  nuklearnej (obrazowanie z wykorzystaniem
  radioizotopów) oraz z róznymi technikami
  radioterapii

3
Diagnostyka izotopowa (obrazowanie izotopowe)

• Nosnikiem informacji w diagnostyce izotopowej
  jest promieniowanie ? emitowane przez radioizotop
  podawany badanemu pacjentowi
• Radioizotopy sa to pierwiastki lub izotopy
  pierwiastków (odmiany pierwiastków), których
  jadra atomów sa niestabilne i samoczynnie ulegaja
  przemianom promieniotwórczym, którym towarzyszy
  emisja promieniowania ?

• Aby radioizotop mógl dotrzec do badanego narzadu,
  laczony jest ze zwiazkiem chemicznym wykazujacym
  duza zdolnosc gromadzenia (akumulacji) w badanym
  narzadzie. Zwiazek taki nazywany jest
  radiofarmaceutykiem
• Badanie obrazowe odzwierciedla intensywnosc
  gromadzenia radioizotopu w badanym narzadzie.
  Cecha ta stanowi o wyjatkowosci metod
  izotopowych, gdyz w przeciwienstwie do innych
  technik obrazowania medycznego (tomografia
  komputerowa, rezonans magnetyczny, itp.), które
  obrazuja cechy morfologiczne (budowe), badania
  obrazowe medycyny nuklearnej obrazuja funkcje
  czynnosciowe

4
Detektory promieniowa ? (1)

• Kluczowe dla potrzeb diagnostyki izotopowej jest
  uchwycenie promieniowania gamma powstajacego w
  wyniku rozpadu radioizotopu zgromadzonego wraz z
  radiofarmaceutykiem w obrazowanym narzadzie
• Najczesciej stosowanym w medycynie nuklearnej
  detektorem promieniowania ? jest detektor
  scyntylacyjny

• Podstawowy element tego detektora stanowi
  krysztal scyntylacyjny, którego specyficzna cecha
  jest emisja blysków swietlnych, powstajacych na
  skutek oddzialywania promieniowania ? z
  krysztalem (efekt fotoelektryczny, zjawisko
  Comptona)
• Typowym krysztalem scyntylacyjnym jest jodek sodu
  aktywowany talem - NaI(Tl), choc powoli jego
  znaczenie jest juz historyczne. W nowoczesnych
  konstrukcjach detektorów wykorzystuje sie
  germanian bizmutu (BGO). Czasem stosowane sa inne
  materialy takie jak fluorek baru (BaF2) i fluorek
  cezu (CsF) choc ich pewne parametry (wydajnosc
  kwantowa, zdolnosc energetyczna) nie sa az tak
  zadawalajace

5
Detektory promieniowa ? (2)

• Uklad detektora oprócz krysztalu sklada sie
  jeszcze z fotopowielaczy - urzadzen, zbudowanych
  z lancuchów dynod, umieszczonych pomiedzy
  fotokatoda i anoda
• Powstajace w krysztale blyski swietlne podaja na
  powierzchnie fotokatody fotopowielacza, wywolujac
  emisje fotoelektronów, które wzmacniane sa w
  kaskadowym lancuchu dynod, dzieki czemu na
  anodzie rejestrowany jest impuls elektryczny
  proporcjonalny no natezenia swiatla padajacego na
  fotokatode (patrz rysunek górny)
• W praktyce powierzchnia krysztalu pokrywana jest
  ukladem fotopowielaczy, które polaczone sa
  elektronicznym systemem rejestrujacym

• Problemy zwiazane z detekcja promieniowania
  okazane sa na rysunku dolnym. Dla przypadku
  idealnego (a) emisja blysku jest rejestrowana
  bezposrednio pod ukladem fotopowielacza. Problem
  nastrecza szczególnie efekt rozproszenia
  Comptonowskiego (przypadki (b) oraz (c) dla
  rozproszenia wielokrotnego) czy tez przejscie
  promieniowania przez krysztal bez interreakcji
  (d). Najczesciej efekt rozproszenia ogranicza sie
  poprzez stosowanie olowianych kolimatorów
  pomiedzy krysztalem a ukladem fotopowielaczy

6
Techniki obrazowania izotopowego

• Istnieje kilka glównych technik obrazowania
  izotopowego
• Scyntygrafia
• Technika planarna, obrazujaca dwuwymiarowy
  rozklad gromadzenia radiofarmaceutyku w
  plaszczyznie detektora
• Tomografia emisyjna pojedynczego fotonu (SPECT)
• Stanowiaca rozszerzenie techniki planarnej do
  rejestracji przestrzennego rozkladu
  radiofarmaceutyku, przez wprowadzeni obrotu
  ukladu akwizycji
• Pozytonowa tomografia emisyjna (PET)
• Najbardziej zaawansowana, w pelni tomograficzna

7
Scyntygrafia (1)

• Obrazowanie z wykorzystaniem gamma-kamery,
  najprostszego i najstarszego urzadzenia
  obrazujacego medycyny nuklearnej, choc z
  powodzeniem stosowanego do dnia dzisiejszego
  (rysunek na dole z lewej strony)
• Podstawowy i najbardziej powszechny sposób
  obrazowania w medycynie nuklearnej, odwzorowujacy
  nagromadzenie podanego radiofarmaceutyku w
  plaszczyznie detektora
• Gamma-kamera sklada sie z typowego (opisanego
  wczesniej) ukladu rejestrujacego o duzym polu
  widzenia (detektor scyntylacyjny) wyposazony
  dodatkowo w analizator amplitudy oraz uklad
  komputerowej wizualizacji (patrz rysunek ponizej,
  prawy)
• Wytworzone impulsy na anodach fotopowielaczy,
  proporcjonalne do natezenia rejestrowanych
  blysków swietlnych, dzieki ukladowi analizatora
  amplitudy sa przekodowywane w skale szarosci a
  uklad komputerowej analizy zapewnia
  pozycjonowanie i wizualizacje (wraz z mapowaniem
  kolorów)

Zródla obrazków http//www.gehealthcare.com/usen/
pre_owned_equipment/pre_owned_goldseal/products/mi
llenniummps.htmlC
8
Scyntygrafia (2)

• Badanie scyntygraficzne jest technika o bardzo
  szerokim zastosowaniu, w tym diagnostyka kosci,
  nerek, ukladu nerwowego, serca, tarczycy, watroby
  i innych. Wskazaniami do stosowania sa
  podejrzenia zmian nowotworowych lub przerzutów do
  kosci.
• Warto wskazac równiez na nietypowe, i ciekawe
  zastosowania scyntygrafii takie jak scyntygrafia
  guzów sutka, scyntygrafia krwawienia z przewodu
  pokarmowego, scyntygrafia slinianek, szpiku
  kostnego, scyntygrafia zoladkowego zarzucania
  tresci dwunastniczej , i inne.
• Najczesciej stosowany radioizotopem
  wykorzystywanym w scyntygrafii jest metastabilny
  izotop technetu 99mTc (ponad 80 badan
  diagnostycznych), o okresie polowicznego rozpadu
  6 godzin. Rzadziej wykorzystywanymi
  radioizotopami sa izotopy jodu oraz galu.
• Technet nie wystepuje w przyrodzie w sposób
  naturalny. Wytwarzany jest w reaktorach poprzez
  rozbijanie neutronami jader uranu lub
  napromieniowania neutronami jader molibdenu.
• Przekladowe obrazy scyntygraficzne pokazano
  ponizej

scyntygrafia kosci przerzuty raka prostaty do
kosci czaszki
scyntygrafia watroby
Zródla obrazków http//www.5wszk.com.pl/nucmed/kl
iniczna_watroba_i_sledziona_stat.htm
9
SPECT (1)

• Tomografia emisyjna pojedynczego fotonu SPECT
  stanowi rozszerzenie klasycznej techniki
  scyntygraficznej
• Metoda akwizycji wykorzystuje obrót zródla
  promieniowania i akwizycje dla róznych katów, co
  umozliwia uzyskiwanie obrazów przekrojów dzieki
  wykorzystaniu matematycznych algorytmów
  rekonstrukcji tomograficznej
• W praktyce, obracany jest oczywiscie nie pacjent,
  lecz ruchoma czesc urzadzenia obrazujacego
  stanowi gamma-kamera (patrz obrazek na dole)
• Dzieki akwizycji róznych aktywnosci izotopu
  rejestrowanych dla kolejnych katów obserwacji,
  otrzymujemy obraz przestrzennego nagromadzenia
  radioframaceutyku, który ogladany jest nastepnie
  w postaci przekrojów lub trójwymiarowych
  rekonstrukcji.
• Pod wzgledem dzialania i budowy urzadzen, metoda
  SPECT nie rózni sie w zupelnosci od klasycznej
  scyntygrafii pojedynczy pomiar dla
  poszczególnych katów jest klasycznym pomiarem
  planarnym z wykorzystaniem gammma-kamery zas
  róznica w samym procesie tworzenia obrazu wynika
  z zastosowania metod rekonstrukcji
  tomograficznych (tworzenie obrazów z zbioru
  projekcji), których szczególowa analiza wykracza
  poza ramy niniejszego opracowania

Zródla obrazków http//astrophysics.fic.uni.lodz.
pl/medtech/pakiet8/pakiet8.html
10
SPECT (2)

• Technika SPECT znajduje szczególne zastosowanie w
  neurodiagnostyce, pozwalajac na diagnostyke zmian
  nowotworowych mózgu (badania przeplywu mózgowego)
  zas tworzone przestrzenne mapy przeplywów,
  zestawione z obrazami prawidlowej czynnosci
  zdrowego mózgu, umozliwiaja wnioskowanie o
  zmianach chorobowych natury neurologicznej
  (zaburzenia psychiczne, choroby neurologiczne
  taki jak Alzheimer)
• Najczesciej stosowany radioizotopem
  wykorzystywanym w SPECT jest podobnie jak w
  scyntygrafii technet 99mTc
• Przekladowe obrazy SPECT pokazano ponizej

Rekonstrukcja 3D dane ze SPECT obrazujace
chorobe Alzheimera
obrazowanie udaru mózgu w technice SPECT udar w
wierszu górnym, brak udaru w dolnym
Zródla obrazków http//www.csmc.edu/9663.html htt
p//www.strokecenter.org/education/ais_imaging_tec
h/ais-oit-spect.htm
11
PET (1)

• Pozytonowa tomografia emisyjna jest najbardziej
  zaawansowana technika obrazowania w medycynie
  nuklearnej
• W technice tej podobnie jak w pozostalych
  metodach obrazowany jest stopien nagromadzenia
  radioframaceutyku (aktywnosc znacznika). Odmienny
  i wysoce specyficzny dla tej metody jest sposób
  powstawania promieniowa.
• Stosowane radioizotopy sa krótko zyciowymi
  izotopami (o czasie polowicznego rozpadu rzedu
  kilku minut) ulegajaymi rozpadowi ß, czyli
  przemianie w wyniku której nastepuje emisja
  czastki zwanej pozytonem oraz neutrina. Pozyton
  nie moze istniec samoistnie i zderzajac sie z
  elektronem ulega natychmiastowej anihilacji
  przemianie materii w energie. Powstaja w ten
  sposób dwa kwanty promieniowania gamma o energii
  511keV o przeciwnych kierunkach. Detekcja
  promieniowania w technice PET polega wlasnie na
  starannej selekcji i rejestracji tych
  koincydencji
• Do detekcji wykorzystuje sie detektory
  scyntylacyjne, choc w przeciwienstwie do gamma-
  kamery nie wystepuje tutaj siatka detektorów
  pokrywajace powierzchnie duzego krysztalu lecz
  mamy do czynienia z ukladem pojedynczych
  detektorów (maly krysztal fotopowielacz)
  umieszczonych na okraglym pierscieniu. Zadaniem
  ukladu komputerowego, laczacego wszystkie
  detektory w pierscieniu jest detekcja
  jednoczesnej rejestracji fotonów w dwóch
  przeciwleglych detektorach w odpowiednim oknie
  czasowym (okno koincydencji). Problemem tych
  systemów jest oczywiscie dobór odpowiedniego okna
  czasowego (eliminacja promieniowania
  rozproszonego) oraz eliminacja tzw. koincydencji
  przypadkowych (falszywych) patrz obrazki na
  dole.

a)
c)
b)
dzialanie ukladu detekcyjnego w systemie PET
detekcja jednoczesnych koincydencji
przyklad detekcji prawidlowej (a) rozproszonej
(b) i przypadkowej (c)
Zródla obrazków http//astrophysics.fic.uni.lodz.
pl/medtech/pakiet8/pakiet8.html
12
PET (2)

• Ze wzgledu na charakter rozmieszczenia detektorów
  na pierscieni oraz sam obrót pierscienia ,
  technika PET jest technika tomograficzna obraz
  uzyskiwany jest w wyniku komputerowych
  rekonstrukcji z projekcji (pomiarów dla róznych
  katów)
• Najpopularniejszymi izotopami stosowanymi w
  pozytonowej tomografii emisyjnej sa izotopy
  fluoru (F18, zdecydowanie najpopularniejszy) oraz
  azotu (N13) lub tlenu (O15) oraz inne
• Ze wzgledu na krótko zyciowy charakter izotopów,
  konieczne jest wyposazanie pracowni PET we
  wlasne cyklotrony, w których wytwarzane sa
  izotopy na kilka chwil przed samym badanie
• Technika PET znajduje podobnie jak SPECT
  zastosowanie w neurodiagnostyce choc z
  powodzeniem stosowana jest do obrazowania róznych
  innych narzadów. Wykonywane jest nawet badanie
  PET calego ciala, a technika PET zapewnia
  najwyzsza czulosc badania ze wszystkich
  dostepnych badan obrazowych medycyny nuklearnej
• Technike PET laczy sie czesto z badaniem CT,
  tworzac nowa jakosc multimodalnego obrazowania
  (fuzja obrazów) która umozliwia jednoczesne
  dokladne odzwierciedlenie cech morfologicznych
  przy jednoczesnej wizualizacji parametrów
  funkcjonalnych
• Przykladowe obrazy PET pokazano ponizej

PET-CT
PET mózgu
Zródla obrazków http//www.virtualcancercentre.co
m/investigations.asp?sid7titlePET-(Positron-Emi
ssion-Tomography) petscans.info/wholeBody.jpg medi
calphysics.duke.edu/pix/pet-ct.jpg
PET calego ciala
13
Radioterapia

• Radioterapia jest metoda diagnostyczna polegajaca
  na niszczeniu komórek nowotworowych za pomoca
  promieniowania jonizujacego
• Istotnym problemem radioterapii jest takie uzycie
  promieniowania (ustalenie dawki, pola
  naswietlania), aby zminimalizowac ewentualne
  ryzyko uszkodzenia sasiednich tkanek
• Zasadniczo radioterapie dzieli sie na
  teleradioterapie oraz na brachyterapie
• W teleradioterapii zródlo promieniowania
  umieszczane jest na zewnatrz, w pewnej odleglosci
  od pacjenta, a zmiana nowotworowa jest
  naswietlana odpowiednim rodzajem promieniowania
• W brachyterapii, zwanej tez radioterapia
  kontaktowa, zródlo promieniowania umieszczane
  jest bezposrednio w guzie lub jego okolicy (w
  jamach ciala)

14
Teleradioterapia (1)

• Teleradioterapia jest najczestsza forma leczenia
  radioterapeutycznego
• Stosowane sa rózne zródla promieniowania do
  naswietlania zmian patologicznych
• promieniowanie o naturze elektromagnetycznej,
  generowane przez urzadzenia promieniowanie X
• promieniowanie o naturze elektromagnetycznej,
  pochodzenia naturalnego (naturalne pierwiastki
  promieniotwórcze) i sztucznego promieniowanie ?
• promieniowanie o naturze czasteczkowej,
  jonizujace bezposrednio elektrony, protony,
  czastki a, ciezkie jony
• promieniowanie o naturze czasteczkowej,
  jonizujace posrednio neutrony

15
Teleradioterapia (2)

• Najstarszymi urzadzeniami do teleradioterapii sa
  akceleratory linowe
• W urzadzeniach tych znajduje sie tzw. dzialko
  elektronowe emitujace wiazke elektronowa,
  przyspieszana w zewnetrznym polu elektrycznym
  wysokiej czestotliwosci, do energii okolo
  kilkunastu MeV (budowa akceleratora liniowego
  patrz rysunek ponizej)
• Do terapii mozna zastosowac bezposrednio wiazke
  elektronowa lub wiazka moze byc skierowana na
  metalowy cel, dla wyhamowania wiazki i
  wytworzenia promieni X, które nastepnie
  wykorzystuje sie terapeutycznie do glebszych
  naswietlen
• Wiazka przyspieszonych elektronów jest formowana
  przy wykorzystaniu systemu magnesów i soczewek
  magnetycznych oraz wyrównywana (folie
  rozpraszajace, kolimatory dla promieni X)

Akcelerator liniowy firmy Siemens
Budowa akceleratora liniowego
Zródla obrazków Z. Hrynkiewicz, E. Rokita,
Fizyczne metody diagnostyki medycznej i terapii,
PWN, Warszawa. 2000 http//www.siemens.pl/home/sie
mens_med_oncor_impression.asp
16
Teleradioterapia (3)

• Najbardziej rozpowszechnionymi od lat 50-tych
  urzadzeniami do radioterapii sa aparaty kobaltowe
  zwana równiez bombami kobaltowymi
• Wykorzystuja one do dzialania produkowany
  sztucznie izotop kobaltu Co-60 o okresie
  polowicznego rozpadu 5,26 lat
• Izotop ten emituje dwa fotony ? o efektywnej
  energii 1,25 MeV
• Aparaty te sa cenione za swoja prostote i
  niezawodnosc oraz powszechna dostepnosc i niskie
  koszty leczenia

Bomba kobaltowa
Budowa bomby kobaltowej
Zródla obrazków Z. Hrynkiewicz, E. Rokita,
Fizyczne metody diagnostyki medycznej i terapii,
PWN, Warszawa. 2000 http//www.fizyka.net.pl/cieka
wostki/ciekawostki_m4.html
17
Teleradioterapia (4)

• Najnowoczesniejsze osiagniecia teleradioterapii
  to terapia hadronowa
• W terapii hadronowej do naswietlania wykorzystuje
  sie ciezkie czastki naladowane (protony, jony,
  mezony p ) oraz neutralne (neutrony)
• Zaletami terapii hadronowej jest stosunkowa mala
  inwazyjnosc (w odniesieniu do pozostalych
  technik radioterapeutycznych) i brak duzych
  powiklan popromiennych. Zalety te wynikaja z
  faktu, ze wiazka ciezkich czastek mozna sterowac
  duzo bardziej precyzyjnie przy jednoczesnej
  minimalizacji czasu naswietlania
• Poczatkowo duzym ograniczeniem dla terapii
  hadronowej byly warunki techniczne zwiazane z
  koniecznoscia akceleracji ciezkich czastek, stad
  terapia mozliwa byla jedynie przy wielkich
  laboratoriach fizycznych. Obecny postep
  technologiczny dopasowuje terapie hadronowa do
  warunków szpitalnych

18
Brachyterapia i terapia izotopowa

• Brachyterapia jest technika radioterapii
  polegajaca na bezposrednim umiejscowieniu zródla
  promieniowa w okolicy lub w samej zmianie
  nowotworowej
• Wadami tej techniki jest skomplikowany proces
  planowania leczenia jak i samej implementacji
  izotopów (trudnosc dotarcia od niektórych miejsc
  i organów) oraz dosc duze dawki promieniowania
• Niewatpliwa zaleta jest za to precyzja, która
  jest mozliwa do osiagniecia w przypadku terapii
  miejsc dobrze dostepnych (ogranicza to narazenie
  sasiadujacych tkanek)
• Zródla promieniowania umieszczane sa w
  specjalnych aplikatorach zas rzadziej stosuje sie
  zródla w postaci stalej (np. igly)
• Izotopy stosowane w brachyterapii to izotopy
  irydu, kobaltu, cezu, jodu, tantalu, radu,
  fosforu, palladu i zlota
• Odmiana metod radioterapeutycznych jest tez
  wywodzaca sie z medycyny nuklearnej radioterapia
  izotopowa polegajaca na podaniu radioaktywnego
  radiofarmaceutyku, w postaci otwartego zródla
  promieniowania (doustnie, domiesniowo, dozylnie).
  Niestety nie jest mozliwe dokladne okreslenie
  rozkladu dawki ze wzgledu na zróznicowana
  dynamike wychwytu i wchlaniania radiofarmaceutyku
• Izotopy stosowane w radioterapii izotopowej to
  glównie izotopy jodu, fosforu i strontu

19
Literatura

• Z. Hrynkiewicz, E. Rokita, Fizyczne metody
  diagnostyki medycznej i terapii, PWN, Warszawa.
  2000
• B. Pruszynski red., Diagnostyka obrazowa
  podstawy teoretyczne i metodyka badan. Warszawa,
  Wydawnictwo Lekarskie PZWL, 2000
• J. Moore (Editor), G. Zouridakis (Editor),
  Biomedical Technology and Devices Handbook, CRC,
  2003
• Serwis internetowy Technika w medycynie
  http//astrophysics.fic.uni.lodz.pl/medtech/start.
  html
• Wikipedia http//pl.wikipedia.org/wiki/