Upload
gudrun
View
59
Download
4
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Ett hundre strålende år. … en oversikt over medisin sk strålingsfysikk. Medisinsk fysikk. …handler om å utnytte kunnskap i fysikk, til å beskrive biologiske prosesser i mennesket, og å søke å utnytte denne kunnskapen til å utvikle diagnostiske og terapeutiske metoder…. Medisinsk fysikk. - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
Ett hundre strålende år...
… en oversikt over medisinsk strålingsfysikk
Medisinsk fysikkMedisinsk fysikk
……handler om å utnytte kunnskap i handler om å utnytte kunnskap i fysikk, til å beskrive biologiske fysikk, til å beskrive biologiske prosesser i mennesket, og å søke å prosesser i mennesket, og å søke å utnytte denne kunnskapen til å utnytte denne kunnskapen til å utvikle diagnostiske og utvikle diagnostiske og terapeutiske metoder….terapeutiske metoder….
Medisinsk fysikkMedisinsk fysikk
Fysikk + Medisin
=“The End of Science”
John Horgan
“The Science”
Medisinsk strålingsfysikkMedisinsk strålingsfysikk Medisinske fysikere arbeider i sykehus (hovedsakelig Medisinske fysikere arbeider i sykehus (hovedsakelig
ved universitets-klinikkene) med kliniske oppgaver ved universitets-klinikkene) med kliniske oppgaver knyttet til:knyttet til:– strålebehandling av kreftpasienterstrålebehandling av kreftpasienter– bildediagnostikk (CT & MR)bildediagnostikk (CT & MR)– nukleærmedisinsk undersøkelse og terapinukleærmedisinsk undersøkelse og terapi– fysiologiske målemetoderfysiologiske målemetoder– … …....
Medisinske fysikere arbeider også med forskning og Medisinske fysikere arbeider også med forskning og utvikling innen de samme områderutvikling innen de samme områder
Medisinske fysikere ansettes også i medisinsk-teknisk Medisinske fysikere ansettes også i medisinsk-teknisk og farmasøytisk industri, konsulentfirmaer og innen og farmasøytisk industri, konsulentfirmaer og innen høyere utdanninghøyere utdanning
Farge Doppler-bilde av blodflow
Medisinsk strålingsfysikkMedisinsk strålingsfysikk
Marie Curie (1867 - 1934) Marie Curie (1867 - 1934)
Henri Becquerel (1852 - 1908)Henri Becquerel (1852 - 1908)
W. C. Røntgen (1845 - 1923)W. C. Røntgen (1845 - 1923)
Kort tid etter oppdagelsen av Kort tid etter oppdagelsen av radioaktivitet og radioaktivitet og røntgenstrålene, ble det klart røntgenstrålene, ble det klart at stråling kunne utnyttes i at stråling kunne utnyttes i terapi og diagnostikk ved terapi og diagnostikk ved patologiske tilstanderpatologiske tilstander
Det Norske Radiumhospital Det Norske Radiumhospital ble etablert i 1932 i den ble etablert i 1932 i den hensikt å ta i bruk Radium i hensikt å ta i bruk Radium i kreftbehandling.kreftbehandling.
Medisinsk strålingsfysikkMedisinsk strålingsfysikk
Aakus & Poppe. Aakus & Poppe. Medisinsk radiologi i Norge Medisinsk radiologi i Norge 19951995
Medisinsk fysikk ble et selvstendig fag gjennom oppdagelsen - og ikke minst gjennom den medisinske utnyttelse - av røntgenstrålene og radioaktivitet
Medisinsk bilde-diagnostikk ved bruk av ioniserende stråling
BildemodaliteterBildemodaliteter
Konvensjonell røntgenKonvensjonell røntgen Computer tomografi (CT)Computer tomografi (CT) RadioisotopavbildingRadioisotopavbilding
– Konvensjonell scintigrafiKonvensjonell scintigrafi– Enkelt foton emisjons computer Enkelt foton emisjons computer
tomografi (SPECT)tomografi (SPECT)– Positron emisjons tomografi (PET)Positron emisjons tomografi (PET)
UltralydUltralyd Magnetisk resonans tomografi (MR)Magnetisk resonans tomografi (MR)
RøntgenstrålingRøntgenstråling
Røntgenstråling dannes når...Røntgenstråling dannes når...– elektroner med høy hastighet bremses (bremsestråling)elektroner med høy hastighet bremses (bremsestråling)– atomelektroner nær kjernen “slås ut” (karakteristisk stråling)atomelektroner nær kjernen “slås ut” (karakteristisk stråling)
Røntgenstråling er elektromagnetisk strålingRøntgenstråling er elektromagnetisk stråling
Halliday Halliday et alet al. . Physics Physics 19921992
RøntgenstrålingRøntgenstråling Røntgenstråling Røntgenstråling
genereres i røntgenrørgenereres i røntgenrør
Shung Shung et alet al. . Principles of medical imagingPrinciples of medical imaging 1992 1992
Attenuasjon i vevAttenuasjon i vev(avtakende intensitet)(avtakende intensitet)
xeII 0
Webb.Webb. The physics of medical imaging The physics of medical imaging 1998 1998
Attenuasjon av strålingi ulike Attenuasjon av strålingi ulike vevvev
Krestel. Krestel. Imaging systemsImaging systems for medical diagnostics for medical diagnostics 19901990
Hva skjer med røntgenfotoner i Hva skjer med røntgenfotoner i vev?vev?
Fotoelektrisk effekt Fotoelektrisk effekt (absorpsjon av foton)(absorpsjon av foton)
Comptonspredning Comptonspredning (spredning av foton)(spredning av foton)
Shung Shung et alet al. . Principles of medical imagingPrinciples of medical imaging 1992 1992
Vekselvirkning ved diagnostikk-Vekselvirkning ved diagnostikk-kavliteterkavliteter
Bløtvev:Bløtvev: Z=7.5Z=7.5 Ben: Ben: Z=13Z=13
Stor Z-avh.Stor Z-avh.
20-150 keV20-150 keV
Attix. Attix. Introduction to radiological physics... Introduction to radiological physics... 19911991
Bildedannelse med Bildedannelse med røntgenrøntgen
Film Ionisasjons-
kammer Fluoriserende
krystaller m. fotomultiplikator (pm) rør
Halvlederteknologi
Shung Shung et alet al. . Principles of medical imagingPrinciples of medical imaging 1992 1992
Røntgenbilde av Røntgenbilde av bekkenbekken
Computer tomografi (CT)Computer tomografi (CT)
””Et meget fascinerende Et meget fascinerende videreutvikling av Røntgenteknikken videreutvikling av Røntgenteknikken stod en britiske elektroingeniør og en stod en britiske elektroingeniør og en fysiker født i Sør-Afrika for. For fysiker født i Sør-Afrika for. For utviklingen av det vi i dag kjenner som utviklingen av det vi i dag kjenner som computer-tomografen, CT, ble Sir computer-tomografen, CT, ble Sir Godfrey Hounsfield og Alan Cormach Godfrey Hounsfield og Alan Cormach tildelt Nobelprisen i 1979, denne tildelt Nobelprisen i 1979, denne gangen i medisin.”gangen i medisin.”
”Fysikkens plass i den moderne medisin”, P2-akademiet, NRK.
Computer tomografi Computer tomografi (CT)(CT)
Krestel. Krestel. Imaging systemsImaging systems for medical diagnostics for medical diagnostics 19901990Siemens AG. Siemens AG. Multislice CTMultislice CT CD-ROM 1998 CD-ROM 1998
TilbakeprojeksjoTilbakeprojeksjonn
I=I1
Detektor 1
I=I2
TilbakeprojeksjonTilbakeprojeksjon
I=I1
Detektor 1
I=I2I=I2
I=I1
Filtrert tilbakeprojeksjonFiltrert tilbakeprojeksjon
Powsner & Powsner. Powsner & Powsner. Nuclear medicine physicsNuclear medicine physics 1998 1998
Radioisotop avbildingRadioisotop avbilding Inntak av radioaktivt stoff - fotonemitterInntak av radioaktivt stoff - fotonemitter Fotonenergi 50-300 keV - Fotonenergi 50-300 keV - 99m99mTc er klassiker (140 keV)Tc er klassiker (140 keV) Selektivt opptakSelektivt opptak Registrerer emitterte fotoner og retningRegistrerer emitterte fotoner og retning
bilde av fordeling av radioaktivitet bilde av fordeling av radioaktivitet
Krestel. Krestel. Imaging systemsImaging systems for medical diagnostics for medical diagnostics 19901990
Konvensjonell scintigrafiKonvensjonell scintigrafi
Powsner & Powsner. Powsner & Powsner. Nuclear medicine physicsNuclear medicine physics 1998 1998
SkjelettscintigrafiSkjelettscintigrafi 99m99mTc kompleksbundet til difosfanat Tc kompleksbundet til difosfanat
avleires i proliferativt knokkelvevavleires i proliferativt knokkelvev Påvise ikke-dislokerte bruddPåvise ikke-dislokerte brudd
Påvise metastaserPåvise metastaser
Rootwelt Rootwelt Nukleærmedisin Nukleærmedisin 19951995
SPECTSPECT Som konvensjonell Som konvensjonell
scintigrafi men registrerer scintigrafi men registrerer emitterte fotoner i mange emitterte fotoner i mange plan rundt pasientenplan rundt pasienten
Filtrert tilbakeprojeksjon gir Filtrert tilbakeprojeksjon gir 3D fordeling av radioaktiv 3D fordeling av radioaktiv isotopisotop
Enkelt foton Enkelt foton emisjons computer emisjons computer tomografitomografi
Powsner & Powsner. Powsner & Powsner. Nuclear medicine physicsNuclear medicine physics 1998 1998
SPECT anvendelseSPECT anvendelse Lungeperfusjonsmåling med Lungeperfusjonsmåling med 99m99mTc bundet til albuminTc bundet til albumin Albumin-Albumin-99m99mTc avsettes i lungekapillæreneTc avsettes i lungekapillærene
SPECT anvendelseSPECT anvendelse
Seppenwoolde Seppenwoolde et al.et al. Int J Radiat Oncol Biol Phys Int J Radiat Oncol Biol Phys 20002000
PETPET pp++ n + e n + e+ + + +
Positron Positron emisjonsemisjonstomografitomografi
Detekterer 511 keV fotoner simultantDetekterer 511 keV fotoner simultant
Powsner & Powsner. Powsner & Powsner. Nuclear medicine physicsNuclear medicine physics 1998 1998Krestel. Krestel. Imaging systemsImaging systems for medical diagnostics for medical diagnostics 19901990
Trenger ikke kollimatorerTrenger ikke kollimatorer Bedre sensitivitet og oppløsning enn SPECTBedre sensitivitet og oppløsning enn SPECT
PETPETPositron Positron emisjonsemisjonstomografitomografi
Karbon, nitrogen, oksygen har eKarbon, nitrogen, oksygen har e++ emitterende isotoperemitterende isotoper
Inngår i biomolekyler - lage eInngår i biomolekyler - lage e++ emitterende biomolekyler emitterende biomolekyler Kort halveringstid: 2-20 min. Kort halveringstid: 2-20 min. syklotron syklotron (NOK 25 mill.)(NOK 25 mill.)
1818F-deoxyglukose (F-deoxyglukose (1818FDG). Halv.tid: 110 min.FDG). Halv.tid: 110 min. Avbilde glukoseopptak i vev - mål for metabolsk aktivitetAvbilde glukoseopptak i vev - mål for metabolsk aktivitet
Hjerneaktivitet målt med Hjerneaktivitet målt med 1818FDGFDG
Shung Shung et alet al. . Principles of medical imagingPrinciples of medical imaging 1992 1992
Tumoravbilding: PET + CTTumoravbilding: PET + CT
Skretting Skretting upublisertupublisert
Stråleterapi ved kreft
Stråleterapi langs nye Stråleterapi langs nye veier, eller ”paa veier, eller ”paa gjengrodde stier” ?gjengrodde stier” ?
Stråleterapi Stråleterapi - år 1930- år 1930
Stråleterapi Stråleterapi – år 2000– år 2000•Utvikling av ny
teknologi
•Ny kunnskap om virkning av stråling på kreftvev
•Forståelse av hvordan bivirkninger etter terapi oppstår, hvordan de kan begrenses og behandles
Stråleterapi langs nye veier, Stråleterapi langs nye veier, eller ”paa gjengrodde stier” ?eller ”paa gjengrodde stier” ?
Fysikk i stråleterapiFysikk i stråleterapi
Stråleterapi langs nye veier, Stråleterapi langs nye veier, eller ”paa gjengrodde stier” ?eller ”paa gjengrodde stier” ?Stråleterapi langs nye veier, Stråleterapi langs nye veier, eller ”paa gjengrodde stier” ?eller ”paa gjengrodde stier” ?
pionerene i pionerene i strålingsvitenskapstrålingsvitenskapen observerte og en observerte og erfarte raskt at erfarte raskt at stråling gir stråling gir biologisk virkningbiologisk virkning
dette ga støtet til å dette ga støtet til å søke å utnytte søke å utnytte stråling i stråling i kreftbehandlingkreftbehandling
Stråleterapi langs nye veier, Stråleterapi langs nye veier, eller ”paa gjengrodde stier” ?eller ”paa gjengrodde stier” ?
Mer presis definisjon av tumorvolumMer presis definisjon av tumorvolum 3% 3%
Bedret bestrålingsteknikk og utnyttelse Bedret bestrålingsteknikk og utnyttelse
av biologiske modellerav biologiske modeller 4% 4%
Mer optimal stråledose pr. behandling, Mer optimal stråledose pr. behandling,
samlet behandlingstid og total stråledosesamlet behandlingstid og total stråledose 3% 3%
Ny utvikling og nye forskningsresultaterNy utvikling og nye forskningsresultater ? ?
Bedret overlevelseBedret overlevelse >10%>10%
Kilde: Statens beredning för utvärdering av medicinsk metodik, SBU-129/1
Forventet økt 5års-overlevelse
Stråleterapi langs nye veier, Stråleterapi langs nye veier, eller eller
”paa gjengrodde stier” ?”paa gjengrodde stier” ?
Optimalisering av Optimalisering av stråle-terapi, d.v.s. stråle-terapi, d.v.s. lavere lavere senskadefrekvens og senskadefrekvens og økt tumorkontroll, økt tumorkontroll,
søkes gjennomsøkes gjennom::
– Fysikalsk Fysikalsk optimaliseringoptimalisering
– Biologisk Biologisk optimaliseringoptimalisering
Stråledose (Gy)
0 20 40 60 80 100 120
Res
pons
(%
)
0
20
40
60
80
100
normalvev
tumor
Stråledose (Gy)
0 20 40 60 80 100 120
Res
pons
(%
)
0
20
40
60
80
100
normalvev
tumor
Stråledose (Gy)
0 20 40 60 80 100 120
Res
pons
(%
)
0
20
40
60
80
100
normalvev
tumor
Stråledose (Gy)
0 20 40 60 80 100 120
Res
pons
(%
)
0
20
40
60
80
100
normalvev
tumor
Stråledose (Gy)
0 20 40 60 80 100 120
Res
pons
(%
)0
20
40
60
80
100
normal-vev
tumor
Fysikk i stråleterapiFysikk i stråleterapi
•Komplett sett av CT-bilder gjør det mulig å rekonstruere strukturer i full 3D, optimalisere strålefelt og beregne dose i 3D
•CT bildet gir informasjon om den romlige fordeling av , som igjen er avgjørende for beregning av dosefordeling
Fysikere i stråleterapiFysikere i stråleterapiMedisinske fysikere har ansvar for og tar del i planlegging av den enkelte pasient, slik at best mulig dose til kreftsvusten oppnås samtidig som friskt vev skånes
Medisinske fysikere har ansvar for at dosene beregnes korrekt
Konformal Konformal stråleterapistråleterapi
Friskvevsskade søkes Friskvevsskade søkes redusert gjennom av redusert gjennom av avgrense avsatt dose til avgrense avsatt dose til det volum som skal det volum som skal behandles; dette omtales behandles; dette omtales som konformal terapi.som konformal terapi.
““Conformity index” er et Conformity index” er et mål på hvor vel avgrenset mål på hvor vel avgrenset dose-fordelingen er i dose-fordelingen er i forhold til svulstvevet:forhold til svulstvevet:
CI=CI=VVtargettarget//VVtreatedtreated
Vratget
Vtreated
Konformal stråleterapiKonformal stråleterapi ved IMRTved IMRT
Hensikten med IMRT (intensitetsmodulert stråleterapi) er å oppnå en mer avgrenset stråledose til tumorvev, uten samtidig å gi høye stråledose til normalvev og kritiske organer.
Dersom enkelte deler av tumor trenger større stråledoser, for eksempel fordi disse områdene er dårlig oksygenert og dermed mindre stråle-følsomme, kan IMRT gi en tilsiktet heterogen fordeling av stråledose i tumorvevet.
Konformal stråleterapiKonformal stråleterapi ved ved IMRTIMRT
Område som ønskes bestrålt - d.v.s tumor (rødt), område som ikke ønsker bestrålt, d.v.s ryggmarg (blått).
Konformal stråleterapiKonformal stråleterapi ved ved IMRTIMRT
Tumor (rødt) om-kranset av strålefelt (grønn).
Strålefelt oppbygd av ulikt antall segmenter og dose-nivåer
Røntgenfilm som viser tilsvarende dosefordelingen i strålefeltet
Konformal stråleterapiKonformal stråleterapi ved ved IMRTIMRT
Seg.1 Seg. 2 Seg.3 Seg.4 Seg.5 Seg.6 Seg.7
Et strålefelt bygges opp av ulike segmenter, hvert med en spesifikk dose
Konformal stråleterapiKonformal stråleterapi ved ved IMRTIMRT
Ulike Ulike segmenter segmenter oppnås ved å oppnås ved å justere justere åpningen mot åpningen mot strålekilden strålekilden under under behandlingbehandling
Total
stråledose
Konformal stråleterapiKonformal stråleterapi ved ved IMRTIMRT
En rekke strålefelt, bygd opp av mange segmenter rettes inn mot tumor for å gi tilsiktet dose til hele svulsten; tumor er satt under kryssild.
Konformal stråleterapiKonformal stråleterapi ved ved IMRTIMRT
Ved IMRT fordeler stråle-dosen seg rundt tumor (rød), uten at kritiske organer som ryggmargen belastes for mye
BioART ved IMRTBioART ved IMRT
Histologisk snitt PET-bilde MR-bilde
gjennom tumor
Oksygenrike
områder:
PET- og MR-bilder kan gi informasjon om i hvor stor grad tumor er vel oksygenert, og dermed si noe om tumor strålefølsomhet
BioART ved IMRTBioART ved IMRT
Mean tumor dose (Gy)
0 10 20 30 40 50 60 70 80T
CP
(%
)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
2 Gy for all cellsper fraction
3 Gy for hypoxic cell,1.89 Gy for oxic cellsper fraction
Områder med strålebiologisk “ufordelaktig” karakter-istikk kan gis en tilsiktet økt dose pr. behandling enn øvrig svustvevet.
Økt tumor kontroll ! Stråledose (Gy)
0 20 40 60 80 100 120
Res
pons
(%
)0
20
40
60
80
100
normal-vev
tumor
Målsøkende radioaktive Målsøkende radioaktive forbindelserforbindelser
Det finnes radioaktive forbindelser som Det finnes radioaktive forbindelser som søker seg fram til svulsten, bl. annet søker seg fram til svulsten, bl. annet merkede monoklonale antistoffer mot merkede monoklonale antistoffer mot molekyler på tumorcellenes overflate.molekyler på tumorcellenes overflate.
Fra disse radioisotopene sendes det ut Fra disse radioisotopene sendes det ut stråling som kan drepe kreftcellenestråling som kan drepe kreftcellene
Slik behandling må ofte kombineres Slik behandling må ofte kombineres med ekstern strålebehandling.med ekstern strålebehandling.
Målsøkende radioaktive Målsøkende radioaktive forbindelserforbindelser
Normal og destruert trabekelnettverk i bein
-partikkel-track i tumorvev
Målsøkende radioaktive Målsøkende radioaktive forbindelserforbindelser
Eksempel på opptak av en målsøkende radioaktiv for-bindelse, vist ovenpå et CT-bilde
ProtonterapiProtonterapi Protoner gir maksimal Protoner gir maksimal
doseavsetning i et gitt doseavsetning i et gitt dyp svarende til dyp svarende til Bragg-peak, i Bragg-peak, i motsetning til fotoner motsetning til fotoner hvor dosemaks. ligger hvor dosemaks. ligger nær overflaten.nær overflaten.
Ved å benytte ulike Ved å benytte ulike energier kan området energier kan området som Bragg-peaken som Bragg-peaken dekker gis ønsket dekker gis ønsket dybde.dybde.
Dybdedosefordeling, d.v.s. Doseavsetning som funksjon av dyp i pasienten, for fotonstråling og singel-energi proton-stråling.
ProtonterapiProtonterapiSum av et knippe Sum av et knippe med protonstråler med protonstråler med ulik energi gir med ulik energi gir et dose-platå; et dose-platå; dette kan tilpasses dette kan tilpasses tumor-utstrekning tumor-utstrekning og dermed gi en og dermed gi en vel avgrenset vel avgrenset dosefordelingdosefordeling
ProtonterapiProtonterapi
Protonterapi Protonterapi gir en C.I. gir en C.I. nærmere 1 enn nærmere 1 enn andre kjente andre kjente behandlings-behandlings-teknikkerteknikker
Bor-nøytron ”capture” Bor-nøytron ”capture” terapi - BNCTterapi - BNCT
BNCT er en behandling der pasienten bestråles med termisk nøytroner Nøytronene har lav energi og avsetter liten dose i pasienten. Bestrålingen kombineres imidlertid med injeksjon av bor-atomer i forkant av behandling. Disse tas opp i tumor. Der nøytroner treffer bor-atomer, fanges disse inn i kjernen. Bor-atomer blir radioaktivt og sender ut kraftig partikkel-stråling.
Pasient plassert foran en nøytron-kanon
BNCTBNCT
Kombinasjon av nøytronbestråling og opptak av bor-atomer i tumor, gir meget lokalisert bestråling slik som illustrert for denne pasienten med hjerne-svulst.
Dosefordeling etter BNCT; rød linje representerer høyest dose.
BNCTBNCT
Lokalisert bestråling gjør det mulig å gi store stråledoser til tumorvev, samtidig som belastningen til normalt vev og organer holdes på et lavt, akseptabelt nivå.
BNCT konsentrerer dosen til tumor, mens stråle-belastningen til normalt hjernevev blir lav.