Tytuł prezentacji Data Akademia Górniczo-Hunicza im. Stanisława Staszica w Krakowie AGH Uniwersity of Science and Technology Mikrowiązkowa radioterapia Wykonały: Paulina Kozioł Natalia Łopuszyńska

Plan prezentacji 1.Wstęp 2.Budowa Synchrotronu 3.Cechy promieniowania synchrotronowego 4.Pierścienie wyższych generacji 5.Oddziaływania promieniowania X z materią 6.MRT – Mikrowiązkowa radioterapia 7.Inne zastosowania promieniowania synchrotronowego

Wstęp »Promieniowanie synchrotronowe jest promieniowaniem elektromagnetycznym emitowanym przez elektrony lub pozytony poruszające się z relatywistycznymi prędkościami, gdy zmianie ulega kierunek ich ruchu. »Promieniowanie synchrotronowe otrzymywane jest w synchrotronach, a emisja tego promieniowania następuje albo podczas zmiany kierunku ruchu w tzw. magnesach odchylających (zakrzywiających) lub poprzez wymuszenie odpowiedniego, krzywoliniowego ruchu elektronów w specjalnych urządzeniach, tzw. urządzeniach wstawkowych (insertion devices - wigglery lub ondulatory).

Budowa Synchrotronu Rys. 1. Budowa źródła promieniowania synchrotronowego: 1 - generator elektronów, 2 - akcelerator liniowy, 3 - akcelerator kołowy (booster-synchrotron), 4 - pierścień akumulujący, 5 – linia, 6 - stacja eksperymentalna

Budowa Synchrotronu – Pierścień akumulacyjny Rys. 2. Schemat ideowy pierścienia akumulacyjnego

Cechy promieniowania synchrotronowego Szeroki zakres spektralny Rys. 4. Rozkład energetyczny jasności spektralnej promieniowania. synchrotronowego dla kilku pierścieni akumulacyjnych. W nawiasach podane są dane charakterystyczne, przy których dokonano pomiarów jasności spektralnej (1) - DORIS (5 GeV, 100 mA), (2) - SRS (2 GeV, 685 mA), (3) - NSLS (2.5 GeV, 500 mA), (4) - ESRF (5 GeV, 565 mA). Rys. 3. Rozkład widmowy promieniowania synchrotronowego. Zacieniony pasek ilustruje poglądowo charakterystyczny rozkład natężenia (jasności) wiązki promieniowania synchrotronowego w funkcji długości fali.

Cechy promieniowania synchrotronowego Rozkład przestrzenny i natężenie wiązki Rys. 6 Rozwartość kątowa pozioma θ i pionowa Ψ, θ i Ψ są skorelowane z emitancją poziomą i pionową wiązki promieniowania synchrotronowego. Na rysunku pokazano kierunki polaryzacji wiązki promieniowania synchro- tronowego: wiązka światła jest spolaryzowana liniowo wzdłuż kierunku stycznej do toru elektronu, w płaszczyźnie toru elektronu w pierścieniu akumulacyjnym, a spolaryzowana kołowo poza kierunkiem stycznej do toru elektronu. Rys. 5. Rozkład przestrzenny natężenia promieniowania hamowania w układzie laboratoryjnym dla: (a) elektronów relatywistycznych (β = v/c ≈ 1), (b) elektronów nierelatywistycznych (β <<1).

Cechy promieniowania synchrotronowego Określona struktura czasowa Rys. 7. Struktura czasowa promieniowania synchrotronowego

Porównanie promieniowania synchrotronowego do promieniowania otrzymywanego przy użyciu konwencjonalnych lampach Rentgenowskich Rys. 8. Poglądowe porównanie rozkładu natężenia promieniowania z lampy rentgenowskiej (linie przerywane) oraz z pierścienia akumulacyjnego (linie ciągłe); (a) - rozkład przestrzenny natężenia, (b) – rozkład energetyczny natężenia, (c) – charakterystyka czasowa wiązki promieniowania.

Pierścienie wyższych generacji – wigglery i ondulatory »Urządzenia te stanowią okresowy układ magnesów stałych lub nadprzewodzących o odpowiedniej geometrii, znajdujący się na prostych odcinkach pierścieniu akumulacyjnych. »Charakterystykę emitowanego promieniowania określają dwa parametry: – Rozłożenie magnesów (okres) - l u [cm] – Wartość indukcji wytwarzanego pola magnetycznego B 0 [T]. » Rozróżnia się dwa typy urządzeń wstawkowych: – Wigglery – Ondulatory »Ilościowym wskaźnikiem odróżniającym te reżimy pracy jest wartość współczynnika  proporcjonalnego do iloczynu indukcji pola magnetycznego B 0 i okresu układu magnesów l u :   0,934B 0 l u. Rys. 9. Schemat wigglera/ondulatora.

Pierścienie wyższych generacji – wigglery i ondulatory Rys. 11 (po prawej). Porównanie widm promieniowania synchrotronowego emitowanego z magnesu odchylającego, wigglera i różnych ondulatorów. U dołu pokazano skalę długości fal i zakres energii kwantów promieniowania synchrotronowego. Rys. 10 (po lewej). Promieniowanie synchrotronowe z magnesów uginających, wigglerów i undulatorów (promieniowanie z magnesów uginających w każdym punkcie toru elektronu ma inny kierunek).

Pierścienie wyższych generacji – wigglery i ondulatory Rys. 13 (po prawej). Średnia jasność wiązki promieniowania synchrotronowego foton/  s * mm * mrad * 0,1%BW , gdzie 0,1%BW odpowiada szerokości pasma 10 −3  o częstotliwości , uzyskiwanego w synchrotronach 1., 2. i 3. generacji. Rys. 12 (po lewej). Rozkład natężenia promieniowania emitowanego z magnesu wygiętego, wiglera i undulatora: Nf – liczba fotonów, Ne – liczba elektronów, Nm – liczba magnesów.

Oddziaływanie promieniowania X z materią Efekt fotoelektryczny Zjawisko Rayleigha Efekt Comptona Zjawisko Augera

MRT – mikrowiązkowa radioterapia Motywacja:  MRT jest obiecującą metodą leczenia, która może zostać zastosowana do pacjentów ze złośliwymi nowotworami centralnego układu nerwowego, dla których przy obecnym stanie rozwoju, nie ma satysfakcjonującej metody leczenia.  Radioterapie (takie jak MRT) cechujące się wysoką dawką i wysoką precyzją z jednoczesnym zmniejszonym obciążeniem niezmienionej tkanki prowadzą do ulepszenia wyników radioterapii.  Na przykład rozlane glejaki pnia mózgu, które stanowią 15% wszystkich guzów mózgu w dzieci są nieoperacyjne, a ich reakcja na konwencjonalną radioterapię i chemioterapię jest jedynie przejściowa.

MRT  MRT oparte na przestrzennym frakcjonowaniu wiązek promieniowania rentgenowskiego o energii rzędu keV wykorzystuje tablice (pęki) generowanych w synchrotronie, skolimowanych, planarnych, quazi-równoległych mikrowiązek  Wiązka promieniowania synchrotronowego (promieniowanie X) jest podzielona na sieć wąskich, quazi-równoległych, mikroplanarnych wiązek, typowo o szerokości 20 do 50 µm, oddzielonych odległościami ok. 200 – 400 µm i dostarczona w takiej postaci w trybie skanowania.

MRT Rys. 14 Schematyczna geometria układu mikrowiązek używanych w MRT

MRT Rys. 15 Symulacja 3D profilu dawki 9 równoległych mikrowiązek przez mózg myszy

MRT  Regiony bardzo dużych dawek (‘in beam’) - ponad 100 Gy - są odseparowane przez regiony o bardzo niskich poziomach dawek.  Te regiony ‘in beam’ cechują się dawkami większymi o rzędy wielkości od dawek stosowanych w tradycyjnej radioterapii.  Dla krytycznej szerokości i separacji wiązek (rzędu dziesiątek i setek mikrometrów) normalna tkanka jest w stanie przetrwać poziomy ekspozycji równe setkom Gy (które w przypadku konwencjonalnej radioterapii są letalne), podczas gdy komórki raka są niszczone.  Bardzo wysokie dawki promieniowania X musza zostać dostarczone w bardzo krótkim czasie, aby uniknąć rozmycia drogi wiązki wynikającego z ruchu narządów, dlatego naświetlenie całego organu przeprowadza się w ułamku sekundy.

MRT Rys. 16 Radioterapia z wykorzystaniem mikrowiązek promieniowania synchrotronowego

MRT u małych zwierząt  Długotrwałe badania przedkliniczne obejmujące gatunki insektów, ptaków, gryzoni i świń ujawniły nadzwyczajną tolerancję normalnych organów oraz naczyń krwionośnych wystawionych na działanie frakcjonowanych dawek promieniowania przekraczających 100Gy dostarczanych w postaci sieci (tablicy) mikrowiązek.  MRT u małych zwierząt pozwoliło na osiągnięcie TR (therapeutic ratio) wyraźnie wyższego od tego uzyskanego w przypadku konwencjonalnej radioterapii z jednorodnym rozkładem dawki dla nowotworów złośliwych takich jak glejaki czy raki płaskonabłonkowe.

MRT u małych zwierząt Rys. 17 MRT u zwierząt

MRT u małych zwierząt  Wyjaśniono kilka prawdopodobnych powodów dlaczego MRT zapewnia lepszy indeks terapeutyczny dla nowotworów w porównaniu z napromienianiem szeroką wiązką: a) Mikrowiązki wytwarzają strome gradienty dawki pomiędzy poszczególnymi warstwami tkanki, otrzymując swoiste szczyty i doliny, które wykazują spadek dawki od 90% do 10% (od szczytu do doliny). b)Przestrzenne frakcjonowanie objawia się bardzo dużą specyficzną powierzchnią kontaktową pomiędzy obszarami szczytów i dolin dawki.

MRT u małych zwierząt c)W przeciwieństwie do wysokiej tolerancji normalnego mikrokrążenia i arterii na napromienianie przy użyciu mikrowiązek, unaczynienie guza jest selektywnie niszczone przez MRT, co skutkuje niedotlenieniem nowotworu i jego kurczeniem. d)Napromienianie mikrowiązkami normalnych tkanek mózgu prowokuje antyrakogenne odpowiedzi proteomiczne (białkowe) Czyli kolektywne działanie promieniowania w postaci mikrowiązek indukuje białka, które mogą mieć ochronny wpływ na normalne tkanki żywe podczas napromieniania.

MRT u małych zwierząt Rys. 18 a)Kolimator umożliwiający sterowanie oddalaniem mikrowiązek orz ich szerokością. b)Ekspozycja I c)Ekspozycja III d), e), f) – przestrzenny rozkład dawki

MRT u dużych zwierząt  Wykorzystanie w badaniach nad MRT psów i kotów jest podyktowane wymiarowymi i fizjologicznymi podobieństwami spontanicznych nowotworów występujących u tych zwierząt do nowotworów złośliwych występujących u człowieka.  Badania takie jeszcze bardziej poszerzą nasze rozumienie tego jak głęboko osadzone i większe tkanki nowotworowe reagują na MRT.

MRT u ludzi  Potencjalne grupy do badań klinicznych: a) Dorośli z glejakiem wielopostaciowym (ok. 20 tys. Nowych przypadków w Europie co rok). b)Dzieci i młodzież z rozlanym glejakiem pnia mózgu (600 nowych przypadków w Europie na rok).

MRT u ludzi  Aby bezpiecznie przeprowadzić badania kliniczne MRT u ludzi konieczne jest opracowanie i przetestowanie nowego sprzętu i oprogramowania: a) Konieczne jest zaprojektowanie oraz budowa systemu pozycjonowania pacjenta, który będzie w stanie poruszyć cięższego pacjenta z wymaganą dokładnością/precyzją przestrzenną. b)Do badań klinicznych na ludziach pożądane jest opracowanie systemu dokładności terapii o obrazy pozyskane za pomocą rezonansu magnetycznego, gdyż takie rozwiązanie zapewnia lepszą przestrzenną rozdzielczość. c)Konieczne jest również opracowanie systemu markerów do wiarygodnej zmiany pozycji pomiędzy zbieraniem obrazów a ułożeniem pacjenta do zabiegu.

Tab. 1 Przegląd zastosowań promieniowania synchrotronowego w różnych zakresach widma fal elektromagnetycznych.

Bibliografia  Konstrukcja i wykorzystanie mikrowiązki promieniowania X do badań radiobiologicznych na poziomie komórkowym - Sebastian Bożek – praca doktorska  Synchrotron jako narzędzie: zastosowania promieniowania synchrotronowego w spektroskopii ciała stałego - Andrzej Kisiel  Promieniowanie synchrotronowe – właściwości i zastosowania - Dominik Senczyk  Microbeam radiation therapy: Clinical perspectives - M.A. Grotzera, E.Schültke,E.Brauer-Krisch, J.A. Laissue  Microbeam Radiation Therapy (MRT) -  A narrow microbeam is more effective for tumor growth suppression than a wide microbeam: an in vivo study using implanted human glioma cells - Atsushi Uyama, Takeshi Kondoh, Nobuteru Nariyama, Keiji Umetani, Manabu Fukumoto, Kunio Shinoharad,Eiji Kohmuraa  Brain tumour and normal vessel responses to synchrotron microbeam radiation therapy -