PartikelterapiPartikelterapi

FysiklFysiklæærerdag 2008, IFA, rerdag 2008, IFA, ÅÅrhusrhus

Niels BasslerNiels BasslerAarhus Universitetshospital og Aarhus Universitetshospital og

Deutsches Krebsforschungszentrum, HeidelbergDeutsches Krebsforschungszentrum, Heidelberg

Stråleterapi, i bedste fald:

100 % dosis i svulsten

0 % dosis i det raske væv

Dosis: afsat energi per masseenhed Gray (J/kg)

Dosis (og tumorkontrol) i svulsten er begrDosis (og tumorkontrol) i svulsten er begræænset af tolerancen af det raske vnset af tolerancen af det raske vææv / v / risikoorganerne (risikoorganerne (““organs at riskorgans at risk””).).

Volumeneffekt: jo mindre vVolumeneffekt: jo mindre vææv bestrv bestrååles, jo hles, jo høøjere tolerance af det raske vjere tolerance af det raske vææv.v.

Bedre konformitet af dosis muliggBedre konformitet af dosis muliggøør hr høøjere dosis jere dosis --> h> høøjere tumorkontrol uden at jere tumorkontrol uden at øøge risiko for bivirkninger. ge risiko for bivirkninger. (Obs: tumorkontrol (Obs: tumorkontrol overlevelse )overlevelse )

Rationalet for konform stråleterapi

44

Konventionel stråleterapi

(Røntgen og elektroner)

(Rendering produced by Tomas Lundberg of MDS(Rendering produced by Tomas Lundberg of MDS--Nordion.)Nordion.)

55Clair et. al.Clair et. al.

66

Protoner (siden 60erne)Protoner (siden 60erne)

56000 patienter behandlet. 56000 patienter behandlet. 25 aktive centre i dag.25 aktive centre i dag. (kilde: PTCOG, Jan 2008)(kilde: PTCOG, Jan 2008)

Ioner (He, Li, B... C, Ne..)Ioner (He, Li, B... C, Ne..) (siden 1994)(siden 1994)

3500 patienter behandlet i 3 3500 patienter behandlet i 3 centre.centre.

AntiprotonerAntiprotoner

0 patienter, 0 centre.0 patienter, 0 centre.

Lette partikler (elektroner, fotoner) spreder meget ved passage Lette partikler (elektroner, fotoner) spreder meget ved passage gennem stof => ringe konformitet.gennem stof => ringe konformitet.

Tungere partikler spreder mindre, strTungere partikler spreder mindre, strååleterapi med partikler?leterapi med partikler?

(Str(Strååleterapi med neutroner og pileterapi med neutroner og pi--mesoner, blev ogsmesoner, blev ogsåå anvendt anvendt ppåå patienter.)patienter.)

NYT !NYT !

77

Protonterapi

88

Protonterapi

150 MeV Protoner150 MeV Protoner

BraggBragg--peakpeak

99

”Spread out Bragg Peak”

(psi.ch)(psi.ch)

SOBP = ”Spread out Bragg Peak”

1010

To opponerende To opponerende felterfelter

fire felterfire felter

(SPTC, (SPTC, ““Val av utrustning fVal av utrustning föör strr stråålbehandling lbehandling med protoner, slutrapport 2003med protoner, slutrapport 2003--010010--05)05)

1111

Protonterapi vs. IMRT (Fotoner)

Weber et. al.Weber et. al.

IMRT FotonerIMRT Fotoner IMPT ProtonerIMPT Protoner

1212

Protonterapi (Medulloblastoma)

PROTONSPROTONSIMRTIMRT

XX--raysrays XX--raysrays

IMRTIMRT

Clair et. al.Clair et. al.

PROTONSPROTONS

1313

Protonterapi (Medulloblastoma)

1414

ProtonterapiPhotonsPhotons IMRTIMRT ProtonsProtons

Lomax et. al.Lomax et. al. 2) Malignant melanoma2) Malignant melanoma

1515

Protonterapi

Lomax et. al.Lomax et. al. Case 2) Malignant melanomaCase 2) Malignant melanoma

1616

Teknik

1717

Loma Lindas Proton Synkrotron bygget af Loma Lindas Proton Synkrotron bygget af Fermilab, USAFermilab, USA

* ~ 8 m diameter* ~ 8 m diameter* pulset* pulset* energiskift fra puls til puls (varierer * energiskift fra puls til puls (varierer indtrindtræængningsdybde)ngningsdybde)

Superledende Proton Cyklotron for Protonterapi, Superledende Proton Cyklotron for Protonterapi, bygget af ACCEL (Tyskland)bygget af ACCEL (Tyskland)

* ~ 3 m diameter* ~ 3 m diameter* DC, h* DC, høøj strj strøøm (500nA)m (500nA)* nem at vedligeholde* nem at vedligeholde

* fast energi, * fast energi, --> indtr> indtræængningsdybden varieres ved at putte ngningsdybden varieres ved at putte materiale ind i beamet (Degrader)materiale ind i beamet (Degrader)

(Fermilab)(Fermilab)(ACCEL)(ACCEL)

1818

””gammelgammel”” teknikteknikbrugt ved fx. Loma Linda, Bostonbrugt ved fx. Loma Linda, Bostoncyklotroner er monocyklotroner er mono--energetiske, et modulationshjul er brugt til at sprede beamet udenergetiske, et modulationshjul er brugt til at sprede beamet ud

langs zlangs z--aksen.aksen.

(psi.ch)(psi.ch)

Passiv spredning af beam

1919

Spot scanning (”Raster scanning”)

ny teknik, udviklet og brugt ved PSI, GSIny teknik, udviklet og brugt ved PSI, GSIdybdedybde--modulation enten via synkrotron eller en degrader for cyklotronmodulation enten via synkrotron eller en degrader for cyklotron

(gsi.de)(gsi.de)

2020

Spot scanning (”Raster scanning”)

Spot scanning at PSISpot scanning at PSI(psi.ch)(psi.ch)

2121

Aktive faciliteter for partikelterapi(Jan 2008)(Jan 2008)

2222

Partikelterapi – planlagte facilliteter

2323

(Uppsala, Sweden)(Uppsala, Sweden)

ÆÆldre partikeltarapi faciliteter ldre partikeltarapi faciliteter forbundet med et fysikforbundet med et fysik--institut.institut.

Behandlingsrum ligner mere et Behandlingsrum ligner mere et fysiklaboratorium. fysiklaboratorium. (og det er det ogs(og det er det ogsåå))

2424

Eksempel på moderne protonterapifacilitet:

Rinecker Proton Therapy Center (RPTC-1)

2525

Protonterapi – RPTC Munich

CyklotronCyklotron 4 Gantries + 4 Gantries + 1 vandret str1 vandret stråålefleføøringringforventer 4000 patientbehandlinger per forventer 4000 patientbehandlinger per åår.r.

(ACCEL)(ACCEL)

2626

Superledende cyklotronSuperledende cyklotron

max: 250 MeV protonermax: 250 MeV protoner

(rptc.de)(rptc.de)

Protonterapi – RPTC München

2727

Protonterapi – RPTC MünchenStrStråålefleføøring fra cyklotron til de 5 ring fra cyklotron til de 5 behandlingsrum. (Beam fbehandlingsrum. (Beam føøres kun til res kun til et af rummene ad gangen.)et af rummene ad gangen.)

4 Isocentriske proton gantries,4 Isocentriske proton gantries,

(rptc.de)(rptc.de)

(rptc.de)(rptc.de)

2828

Protonterapi – RPTC MünchenRRøøntgenntgen--guided fuldautomatisk guided fuldautomatisk patient positionering.patient positionering.

2x MR scannere2x MR scannere

2x kombinerede PET2x kombinerede PET--CT CT scannerescannere

””Full body staging examinationFull body staging examination””, , (~360 5 mm slices), lokaliserer (~360 5 mm slices), lokaliserer tumorer og metastasertumorer og metastaser

Fx. lungetumorer. Med bedFx. lungetumorer. Med bedøøvelse velse bliver bliver ååndedrndedræættet afbrudt under ttet afbrudt under bestrbestrååingen (isf. ingen (isf. ””gating)gating)””, for at , for at undgundgåå positioneringsfejl.positioneringsfejl.

AnslAnslåået pris per komplet behandling et pris per komplet behandling ink. diagnose: 17.500 ink. diagnose: 17.500 €€RPTC gantry nozzleRPTC gantry nozzle

Planagt ogsPlanagt ogsåå i Ki Køøln og Leipzig.ln og Leipzig.

(rptc.de)(rptc.de)

2929

Tunge ioner(dvs.: tungere end protoner)

3030

Fotoner vs. Protoner vs. Kul-ioner

(SPTC, (SPTC, ““Val av utrustning fVal av utrustning föör strr stråålbehandling med lbehandling med protoner, slutrapport 2003protoner, slutrapport 2003--010010--05)05)

3131

To opponerende To opponerende felterfelter

fire felterfire felter

(SPTC, (SPTC, ““Val av utrustning fVal av utrustning föör strr stråålbehandling lbehandling med protoner, slutrapport 2003med protoner, slutrapport 2003--010010--05)05)

3232

Radiobiologi

Men hvad er så forskellen mellem Kul- ioner og protoner?

Radiobiologien!Radiobiologien!

Samme fysisk dosis for fotoner (eller Samme fysisk dosis for fotoner (eller protoner) og for kulioner, gprotoner) og for kulioner, gøør r ikkeikke samme biologiske skade.samme biologiske skade.

referencereferencemed alm.med alm.fotonerfotoner

3333

Kulioner - Radiobiologi

Derfor: ikke nok at se pDerfor: ikke nok at se påå fysisk fysisk dosis.dosis.

Inkluder radiobiologi, optimer Inkluder radiobiologi, optimer dosisplan efter dosisplan efter biologisk effektiv biologisk effektiv dosisdosis..

Den vDen vææsentlige forskel er i sentlige forskel er i radiobiologien: radioresistente radiobiologien: radioresistente tumorer rammes nemmere med tumorer rammes nemmere med kulioner der har hkulioner der har høøj RBE.j RBE.

.. og der forskes...... og der forskes....

(G. Kraft et al)(G. Kraft et al)

3434

Kulioner

(gsi.de.)(gsi.de.)

3535

Kulioner i Heidelberg

600 t600 t0.5 mm0.5 mm

stiffnessstiffness(dkfz.de.)(dkfz.de.)

3636

Kulioner i Heidelberg

(O. J(O. Jääkel)kel)

HIT HIT -- Jan. 2007Jan. 2007

3737

Kulioner i Heidelberg

(Bild Zeitung)(Bild Zeitung)

3838

3939

Kulioner i Heidelberg

ØØkonomi:konomi:

HIT koster ~ 100 MHIT koster ~ 100 M€€50 % offentlige kilder, 50 % Heidelberg Universitet50 % offentlige kilder, 50 % Heidelberg Universitet

Pris per behandling (flere fraktioner) ~ 20 kPris per behandling (flere fraktioner) ~ 20 k€€

4040

Kulioner

-- Kun et par 100 patienter behandlet med kulioner i Tyskland (GSIKun et par 100 patienter behandlet med kulioner i Tyskland (GSI), resten i ), resten i Japan.Japan.

Uafklarede spUafklarede spøørgsmrgsmåål:l:

-- hvad er den biologisk effektive dosis?hvad er den biologisk effektive dosis?-- er kulioner er kulioner ””bedrebedre”” end protoner? For hvilke tumortyper?end protoner? For hvilke tumortyper?-- er der sene effekter af behandlingen?er der sene effekter af behandlingen?

StrStrååleterapi med kulioner er leterapi med kulioner er eksperimentelteksperimentelt..

4141

Partikelterapi i Danmark?

4242

11 11 –– 32 patienter per 100.000 indbyggere32 patienter per 100.000 indbyggere

““I en dansk sammenhI en dansk sammenhææng ville det svare til 1100 til 1750 patienter om ng ville det svare til 1100 til 1750 patienter om ååret ...ret ...””

““... hvilket skal ses i sammenh... hvilket skal ses i sammenhææng med at kun 5ng med at kun 5--10 patienter om 10 patienter om ååret ret p.t. sendes til protonbehandling i udlandet (fortrinsvis Boston)p.t. sendes til protonbehandling i udlandet (fortrinsvis Boston)..””

(Rapport fra DSKO Accelerator Udvalg, (Rapport fra DSKO Accelerator Udvalg, 2004)2004)

4343

4444

AntiprotonerNYT !NYT !

AD-4/ACE Kollaborationenestd. 2003.estd. 2003.

Michael H. HolzscheiterMichael H. Holzscheiter11, , Niels BasslerNiels Bassler2,32,3, , Jan AlsnerJan Alsner22, Gerd Beyer, Gerd Beyer44,, John J. DeMarcoJohn J. DeMarco55, Michael Doser, Michael Doser66, Dragan Hajdukovic, Dragan Hajdukovic77, Oliver Hartley, Oliver Hartley44, Keisuke S. , Keisuke S. IwamotoIwamoto55, Oliver J, Oliver Jääkelkel33, , Helge V. KnudsenHelge V. Knudsen88,, Sandra KovacevicSandra Kovacevic77, , SSøøren Pape Mren Pape Møøllerller88, , Jens OvergaardJens Overgaard22, , JJøørgen B. Petersenrgen B. Petersen22, Timothy D. Solberg, Timothy D. Solberg99, Sanja Vranjes, Sanja Vranjes1010, , Bradly G. WoutersBradly G. Wouters1111..11 University of New Mexico, Albuquerque, NM, USAUniversity of New Mexico, Albuquerque, NM, USA22 Dept. of Medical Physics and Experimental Clinical Oncology, AaDept. of Medical Physics and Experimental Clinical Oncology, Aarhus University Hospital, Aarhus, Denmarkrhus University Hospital, Aarhus, Denmark33 Deutsches Krebsforschungszentrum, Heidelberg, GermanyDeutsches Krebsforschungszentrum, Heidelberg, Germany44 Hospital Universitaire de Geneve, Geneva, SwitzerlandHospital Universitaire de Geneve, Geneva, Switzerland55 David Geffen School of Medicine, UCLA, Los Angeles, CA, USADavid Geffen School of Medicine, UCLA, Los Angeles, CA, USA66 CERN, Geneva, SwitzerlandCERN, Geneva, Switzerland77 University of Montenegro, Podgorica, MontenegroUniversity of Montenegro, Podgorica, Montenegro88 Dept. of Physics & Astronomy and ISA, University of Aarhus, AarDept. of Physics & Astronomy and ISA, University of Aarhus, Aarhus, Denmarkhus, Denmark99 University of Nebraska Medical Center, Omaha, NE, USAUniversity of Nebraska Medical Center, Omaha, NE, USA1010 VINCA Institute for Nuclear Sciences, Belgrade, SerbiaVINCA Institute for Nuclear Sciences, Belgrade, Serbia1111 University of Maastricht, Res. Institute Growth and DevelopmentUniversity of Maastricht, Res. Institute Growth and Development, The Netherlands., The Netherlands.

18 participants.18 participants.

””StrStrååleterapi med antiprotoner, gi'r det mening ?leterapi med antiprotoner, gi'r det mening ?””

4646

4747

Antiprotoner - Annihilation

Energi fra annihilation : 2x mEnergi fra annihilation : 2x m pp ~ 1.88 GeV~ 1.88 GeVMen langt det meste gMen langt det meste gåår tabt med pionerne m.m.r tabt med pionerne m.m.Kernefragmenter gKernefragmenter gøør lokal skade, dog kun omkring 30 MeVr lokal skade, dog kun omkring 30 MeV

pionerpionergammagamma--kvanterkvanter

neutronerneutronerKernefragmenterKernefragmenter

4848

Antiprotoner - Produktion

Antiproton produktion ved CERN

26 GeV protonstråle -> target

p + p -> p + p + p + pbar

Antiproton produktion ved CERNAntiproton produktion ved CERN

26 GeV protonstr26 GeV protonstrååle le --> target> target

p + p p + p --> p + p + p +> p + p + p + pbarpbar

4949

Antiprotoner - Radiobiologi

lav RBElav RBE

hhøøj RBEj RBEHHøøj RBE i peak, altsj RBE i peak, altsåå meget meget effekt per dosis...effekt per dosis...

lav RBE i plateau; mindre effekt lav RBE i plateau; mindre effekt per dosis.per dosis.

5050

AD4/ACE Eksperimentet, CERN

SCINTILLATOR (1 af 2)SCINTILLATOR (1 af 2)

CCD KAMERACCD KAMERA

STRSTRÅÅLE MONITORERINGLE MONITORERINGVANDFANTOMVANDFANTOM

TARGETTARGETANTIPANTIP ROTOROTO NN-- STRSTRÅÅ LELE

DEGRADERDEGRADER

5151

AD4/ACE Eksperimentet, CERN

PrPrøøveholderveholder

5252

AD4/ACE - Target

Kinesiske V79 hamsterceller i gelatine opløsning.

Kølet ned til et par °C for at stoppe cellereparationer.

Efter bestråling bliver skiver af 0.5-1 mm sået på Petri-skåle, og kolonierne bliver talt.

5353

ProtonProton--data fra TRIUMFdata fra TRIUMF

Relative Biological Efficiency (RBE)

RBERBE peakpeak ==CoCo--60 Dose60 DosePeak DosePeak Dose

RBERBE platplat ==CoCo--60 Dose60 DosePlateau DosePlateau Dose

=1.15=1.15

=1.0=1.0

5454

V79 Resultater 2007

Raw data from 2007Raw data from 2007 V79 Cells.V79 Cells.

Plateau doses:Plateau doses:

A: A: 2.3 Gy2.3 GyB: B: 1.6 Gy 1.6 Gy D: D: 0.5 Gy 0.5 Gy E: E: 6.0 Gy 6.0 Gy F: F: 0.8 Gy0.8 GyZ: Z: 9.0 Gy9.0 Gy

RBE(plateau) = 1.15 RBE(plateau) = 1.15 –– 1.271.27 RBE(peak) = 1.77 RBE(peak) = 1.77 -- 1.951.95

5555

Bestem den radiobiologiske effekt af antiprotoner, sammenlign med kulioner og protoner.

Planlægningstudier med antiprotoner, for at sammenligne forskellige partikelterapier.

Undersøgelser af effekter af bestrålingen, uden for selve antiproton strålen (sekundær cancer induktion)

Antiprotoner er dyre og vanskelige at fremstille. En dedikeret facillitet kan koste 1 G€ (ca ¼ metro-ring).

5656

Protoner ved ASTRID

5757

Protoner ved ASTRID

5858

Protoner ved ASTRID

5959

6060