Metody radiacyjne w medycynie diagnostyka izotopowa, radioterapia z użyciem promieniowania gamma, elektronów, mezonów (pi-) i ciężkich jonów opracowanie w ramach przedmiotu: Metody i Technologie Jądrowe autor: mgr inż. Rafał Jóźwiak Warszawa, 27.01.2009 r.

Metody radiacyjne w medycynie Opracowanie to dotyczy zastosowania metod radiacyjnych (wykorzystujących promieniowanie jonizujące) w medycynie, a w szczególności metod opierających się na wykorzystaniu izotopów promieniotwórczych W przeciwieństwie do całej grupy metod radiacyjnych stosowanych we współczesnej medycynie w niniejszym opracowaniu w części obejmującej diagnostykę (obrazowanie) skupiono się na metodach opierających się na wykorzystaniu radioizotopów promieniotwórczych – ta gałąź medycyny określana jest mianem medycyny nuklearnej Zaprezentowane zostaną zagadnienia związane zarówno z aspektami diagnostyki medycyny nuklearnej (obrazowanie z wykorzystaniem radioizotopów) oraz z różnymi technikami radioterapii

Diagnostyka izotopowa (obrazowanie izotopowe) Nośnikiem informacji w diagnostyce izotopowej jest promieniowanie γ emitowane przez radioizotop podawany badanemu pacjentowi Radioizotopy są to pierwiastki lub izotopy pierwiastków (odmiany pierwiastków), których jądra atomów są niestabilne i samoczynnie ulegają przemianom promieniotwórczym, którym towarzyszy emisja promieniowania γ Aby radioizotop mógł dotrzeć do badanego narządu, łączony jest ze związkiem chemicznym wykazującym dużą zdolność gromadzenia (akumulacji) w badanym narządzie. Związek taki nazywany jest radiofarmaceutykiem Badanie obrazowe odzwierciedla intensywność gromadzenia radioizotopu w badanym narządzie. Cecha ta stanowi o wyjątkowości metod izotopowych, gdyż w przeciwieństwie do innych technik obrazowania medycznego (tomografia komputerowa, rezonans magnetyczny, itp.), które obrazują cechy morfologiczne (budowę), badania obrazowe medycyny nuklearnej obrazują funkcje czynnościowe

Detektory promieniowa γ (1) Kluczowe dla potrzeb diagnostyki izotopowej jest uchwycenie promieniowania gamma powstającego w wyniku rozpadu radioizotopu zgromadzonego wraz z radiofarmaceutykiem w obrazowanym narządzie Najczęściej stosowanym w medycynie nuklearnej detektorem promieniowania γ jest detektor scyntylacyjny Podstawowy element tego detektora stanowi kryształ scyntylacyjny, którego specyficzną cechą jest emisja błysków świetlnych, powstających na skutek oddziaływania promieniowania γ z kryształem (efekt fotoelektryczny, zjawisko Comptona) Typowym kryształem scyntylacyjnym jest jodek sodu aktywowany talem - NaI(Tl), choć powoli jego znaczenie jest już historyczne. W nowoczesnych konstrukcjach detektorów wykorzystuje się germanian bizmutu (BGO). Czasem stosowane są inne materiały takie jak fluorek baru (BaF2) i fluorek cezu (CsF) choć ich pewne parametry (wydajność kwantowa, zdolność energetyczna) nie są aż tak zadawalające

Detektory promieniowa γ (2) Układ detektora oprócz kryształu składa się jeszcze z fotopowielaczy - urządzeń, zbudowanych z łańcuchów dynod, umieszczonych pomiędzy fotokatodą i anodą Powstające w krysztale błyski świetlne podają na powierzchnie fotokatody fotopowielacza, wywołując emisję fotoelektronów, które wzmacniane są w kaskadowym łańcuchu dynod, dzięki czemu na anodzie rejestrowany jest impuls elektryczny proporcjonalny no natężenia światła padającego na fotokatodę (patrz rysunek górny) W praktyce powierzchnia kryształu pokrywana jest układem fotopowielaczy, które połączone są elektronicznym systemem rejestrującym Problemy związane z detekcją promieniowania okazane są na rysunku dolnym. Dla przypadku idealnego (a) emisja błysku jest rejestrowana bezpośrednio pod układem fotopowielacza. Problem nastręcza szczególnie efekt rozproszenia Comptonowskiego (przypadki (b) oraz (c) dla rozproszenia wielokrotnego) czy też przejście promieniowania przez kryształ bez interreakcji (d). Najczęściej efekt rozproszenia ogranicza się poprzez stosowanie ołowianych kolimatorów pomiędzy kryształem a układem fotopowielaczy

Techniki obrazowania izotopowego Istnieje kilka głównych technik obrazowania izotopowego Scyntygrafia Technika planarna, obrazująca dwuwymiarowy rozkład gromadzenia radiofarmaceutyku w płaszczyźnie detektora Tomografia emisyjna pojedynczego fotonu (SPECT) Stanowiąca rozszerzenie techniki planarnej do rejestracji przestrzennego rozkładu radiofarmaceutyku, przez wprowadzeni obrotu układu akwizycji Pozytonowa tomografia emisyjna (PET) Najbardziej zaawansowana, w pełni tomograficzna

Scyntygrafia (1) Obrazowanie z wykorzystaniem gamma-kamery, najprostszego i najstarszego urządzenia obrazującego medycyny nuklearnej, choć z powodzeniem stosowanego do dnia dzisiejszego (rysunek na dole z lewej strony) Podstawowy i najbardziej powszechny sposób obrazowania w medycynie nuklearnej, odwzorowujący nagromadzenie podanego radiofarmaceutyku w płaszczyźnie detektora Gamma-kamera składa się z typowego (opisanego wcześniej) układu rejestrującego o dużym polu widzenia (detektor scyntylacyjny) wyposażony dodatkowo w analizator amplitudy oraz układ komputerowej wizualizacji (patrz rysunek poniżej, prawy) Wytworzone impulsy na anodach fotopowielaczy, proporcjonalne do natężenia rejestrowanych błysków świetlnych, dzięki układowi analizatora amplitudy są przekodowywane w skale szarości a układ komputerowej analizy zapewnia pozycjonowanie i wizualizację (wraz z mapowaniem kolorów) Źródła obrazków: http://www.gehealthcare.com/usen/pre_owned_equipment/pre_owned_goldseal/products/millenniummps.htmlC

scyntygrafia kości – przerzuty raka prostaty do kości czaszki Badanie scyntygraficzne jest techniką o bardzo szerokim zastosowaniu, w tym diagnostyka kości, nerek, układu nerwowego, serca, tarczycy, wątroby i innych. Wskazaniami do stosowania są podejrzenia zmian nowotworowych lub przerzutów do kości. Warto wskazać również na nietypowe, i ciekawe zastosowania scyntygrafii takie jak scyntygrafia guzów sutka, scyntygrafia krwawienia z przewodu pokarmowego, scyntygrafia ślinianek, szpiku kostnego, scyntygrafia żołądkowego zarzucania treści dwunastniczej , i inne. Najczęściej stosowany radioizotopem wykorzystywanym w scyntygrafii jest metastabilny izotop technetu 99mTc (ponad 80% badań diagnostycznych), o okresie połowicznego rozpadu 6 godzin. Rzadziej wykorzystywanymi radioizotopami są izotopy jodu oraz galu. Technet nie występuje w przyrodzie w sposób naturalny. Wytwarzany jest w reaktorach poprzez rozbijanie neutronami jader uranu lub napromieniowania neutronami jąder molibdenu. Przekładowe obrazy scyntygraficzne pokazano poniżej scyntygrafia kości – przerzuty raka prostaty do kości czaszki scyntygrafia wątroby Źródła obrazków: http://www.5wszk.com.pl/nucmed/kliniczna_watroba_i_sledziona_stat.htm

SPECT (1) Tomografia emisyjna pojedynczego fotonu SPECT stanowi rozszerzenie klasycznej techniki scyntygraficznej Metoda akwizycji wykorzystuje obrót źródła promieniowania i akwizycję dla różnych katów, co umożliwia uzyskiwanie obrazów przekrojów dzięki wykorzystaniu matematycznych algorytmów rekonstrukcji tomograficznej W praktyce, obracany jest oczywiście nie pacjent, lecz ruchomą część urządzenia obrazującego stanowi gamma-kamera (patrz obrazek na dole) Dzięki akwizycji różnych aktywności izotopu rejestrowanych dla kolejnych kątów obserwacji, otrzymujemy obraz przestrzennego nagromadzenia radioframaceutyku, który oglądany jest następnie w postaci przekrojów lub trójwymiarowych rekonstrukcji. Pod względem działania i budowy urządzeń, metoda SPECT nie różni się w zupełności od klasycznej scyntygrafii – pojedynczy pomiar dla poszczególnych kątów jest klasycznym pomiarem planarnym z wykorzystaniem gammma-kamery zaś różnica w samym procesie tworzenia obrazu wynika z zastosowania metod rekonstrukcji tomograficznych (tworzenie obrazów z zbioru projekcji), których szczegółowa analiza wykracza poza ramy niniejszego opracowania Źródła obrazków: http://astrophysics.fic.uni.lodz.pl/medtech/pakiet8/pakiet8.html

Rekonstrukcja 3D – dane ze SPECT obrazujące chorobę Alzheimera Technika SPECT znajduje szczególne zastosowanie w neurodiagnostyce, pozwalając na diagnostykę zmian nowotworowych mózgu (badania przepływu mózgowego) zaś tworzone przestrzenne mapy przepływów, zestawione z obrazami prawidłowej czynności zdrowego mózgu, umożliwiają wnioskowanie o zmianach chorobowych natury neurologicznej (zaburzenia psychiczne, choroby neurologiczne taki jak Alzheimer) Najczęściej stosowany radioizotopem wykorzystywanym w SPECT jest podobnie jak w scyntygrafii technet 99mTc Przekładowe obrazy SPECT pokazano poniżej Rekonstrukcja 3D – dane ze SPECT obrazujące chorobę Alzheimera obrazowanie udaru mózgu w technice SPECT – udar w wierszu górnym, brak udaru w dolnym Źródła obrazków: http://www.csmc.edu/9663.html http://www.strokecenter.org/education/ais_imaging_tech/ais-oit-spect.htm

przykład detekcji prawidłowej (a) rozproszonej (b) i przypadkowej (c) PET (1) Pozytonowa tomografia emisyjna jest najbardziej zaawansowaną techniką obrazowania w medycynie nuklearnej W technice tej podobnie jak w pozostałych metodach obrazowany jest stopień nagromadzenia radioframaceutyku (aktywność znacznika). Odmienny i wysoce specyficzny dla tej metody jest sposób powstawania promieniowa. Stosowane radioizotopy są krótko życiowymi izotopami (o czasie połowicznego rozpadu rzędu kilku minut) ulegająymi rozpadowi β+, czyli przemianie w wyniku której następuje emisja cząstki zwanej pozytonem oraz neutrina. Pozyton nie może istnieć samoistnie i zderzając się z elektronem ulega natychmiastowej anihilacji – przemianie materii w energie. Powstają w ten sposób dwa kwanty promieniowania gamma o energii 511keV o przeciwnych kierunkach. Detekcja promieniowania w technice PET polega właśnie na starannej selekcji i rejestracji tych koincydencji Do detekcji wykorzystuje się detektory scyntylacyjne, choć w przeciwieństwie do gamma- kamery nie występuje tutaj siatka detektorów pokrywające powierzchnię dużego kryształu lecz mamy do czynienia z układem pojedynczych detektorów (mały kryształ + fotopowielacz) umieszczonych na okrągłym pierścieniu. Zadaniem układu komputerowego, łączącego wszystkie detektory w pierścieniu jest detekcja jednoczesnej rejestracji fotonów w dwóch przeciwległych detektorach w odpowiednim oknie czasowym (okno koincydencji). Problemem tych systemów jest oczywiście dobór odpowiedniego okna czasowego (eliminacja promieniowania rozproszonego) oraz eliminacja tzw. koincydencji przypadkowych (fałszywych) – patrz obrazki na dole. a) c) b) działanie układu detekcyjnego w systemie PET – detekcja jednoczesnych koincydencji przykład detekcji prawidłowej (a) rozproszonej (b) i przypadkowej (c) Źródła obrazków: http://astrophysics.fic.uni.lodz.pl/medtech/pakiet8/pakiet8.html

PET (2) Ze względu na charakter rozmieszczenia detektorów na pierścieni oraz sam obrót pierścienia , technika PET jest techniką tomograficzną – obraz uzyskiwany jest w wyniku komputerowych rekonstrukcji z projekcji (pomiarów dla różnych kątów) Najpopularniejszymi izotopami stosowanymi w pozytonowej tomografii emisyjnej są izotopy fluoru (F18, zdecydowanie najpopularniejszy) oraz azotu (N13) lub tlenu (O15) oraz inne Ze względu na krótko życiowy charakter izotopów, konieczne jest wyposażanie pracowni PET we własne cyklotrony, w których wytwarzane są izotopy na kilka chwil przed samym badanie Technika PET znajduje podobnie jak SPECT zastosowanie w neurodiagnostyce choć z powodzeniem stosowana jest do obrazowania różnych innych narządów. Wykonywane jest nawet badanie PET całego ciała, a technika PET zapewnia najwyższą czułość badania ze wszystkich dostępnych badań obrazowych medycyny nuklearnej Technikę PET łączy się często z badaniem CT, tworząc nową jakość multimodalnego obrazowania (fuzja obrazów) która umożliwia jednoczesne dokładne odzwierciedlenie cech morfologicznych przy jednoczesnej wizualizacji parametrów funkcjonalnych Przykładowe obrazy PET pokazano poniżej PET-CT PET mózgu Źródła obrazków: http://www.virtualcancercentre.com/investigations.asp?sid=7&title=PET-(Positron-Emission-Tomography) petscans.info/wholeBody.jpg medicalphysics.duke.edu/pix/pet-ct.jpg PET całego ciała

Radioterapia Radioterapia jest metodą diagnostyczną polegającą na niszczeniu komórek nowotworowych za pomocą promieniowania jonizującego Istotnym problemem radioterapii jest takie użycie promieniowania (ustalenie dawki, pola naświetlania), aby zminimalizować ewentualne ryzyko uszkodzenia sąsiednich tkanek Zasadniczo radioterapię dzieli się na teleradioterapię oraz na brachyterapię W teleradioterapii źródło promieniowania umieszczane jest na zewnątrz, w pewnej odległości od pacjenta, a zmiana nowotworowa jest naświetlana odpowiednim rodzajem promieniowania W brachyterapii, zwanej też radioterapią kontaktową, źródło promieniowania umieszczane jest bezpośrednio w guzie lub jego okolicy (w jamach ciała)

Teleradioterapia (1) Teleradioterapia jest najczęstszą formą leczenia radioterapeutycznego Stosowane są różne źródła promieniowania do naświetlania zmian patologicznych: promieniowanie o naturze elektromagnetycznej, generowane przez urządzenia: promieniowanie X promieniowanie o naturze elektromagnetycznej, pochodzenia naturalnego (naturalne pierwiastki promieniotwórcze) i sztucznego : promieniowanie γ promieniowanie o naturze cząsteczkowej, jonizujące bezpośrednio: elektrony, protony, cząstki α, ciężkie jony promieniowanie o naturze cząsteczkowej, jonizujące pośrednio: neutrony

Teleradioterapia (2) Najstarszymi urządzeniami do teleradioterapii są akceleratory linowe W urządzeniach tych znajduje się tzw. działko elektronowe emitujące wiązkę elektronową, przyspieszaną w zewnętrznym polu elektrycznym wysokiej częstotliwości, do energii około kilkunastu MeV (budowa akceleratora liniowego – patrz rysunek poniżej) Do terapii można zastosować bezpośrednio wiązkę elektronową lub wiązka może być skierowana na metalowy cel, dla wyhamowania wiązki i wytworzenia promieni X, które następnie wykorzystuje się terapeutycznie do głębszych naświetleń Wiązka przyspieszonych elektronów jest formowana przy wykorzystaniu systemu magnesów i soczewek magnetycznych oraz wyrównywana (folie rozpraszające, kolimatory dla promieni X) Akcelerator liniowy firmy Siemens Budowa akceleratora liniowego Źródła obrazków: Z. Hrynkiewicz, E. Rokita, Fizyczne metody diagnostyki medycznej i terapii, PWN, Warszawa. 2000 http://www.siemens.pl/home/siemens_med_oncor_impression.asp

Budowa bomby kobaltowej Teleradioterapia (3) Najbardziej rozpowszechnionymi od lat 50-tych urządzeniami do radioterapii są aparaty kobaltowe zwana również bombami kobaltowymi Wykorzystują one do działania produkowany sztucznie izotop kobaltu Co-60 o okresie połowicznego rozpadu 5,26 lat Izotop ten emituje dwa fotony γ o efektywnej energii 1,25 MeV Aparaty te są cenione za swoją prostotę i niezawodność oraz powszechną dostępność i niskie koszty leczenia Budowa bomby kobaltowej Bomba kobaltowa Źródła obrazków: Z. Hrynkiewicz, E. Rokita, Fizyczne metody diagnostyki medycznej i terapii, PWN, Warszawa. 2000 http://www.fizyka.net.pl/ciekawostki/ciekawostki_m4.html

Teleradioterapia (4) Najnowocześniejsze osiągnięcia teleradioterapii to terapia hadronowa W terapii hadronowej do naświetlania wykorzystuje się ciężkie cząstki naładowane (protony, jony, mezony π ) oraz neutralne (neutrony) Zaletami terapii hadronowej jest stosunkowa mała inwazyjność (w odniesieniu do pozostałych technik radioterapeutycznych) i brak dużych powikłań popromiennych. Zalety te wynikają z faktu, że wiązką ciężkich cząstek można sterować dużo bardziej precyzyjnie przy jednoczesnej minimalizacji czasu naświetlania Początkowo dużym ograniczeniem dla terapii hadronowej były warunki techniczne związane z koniecznością akceleracji ciężkich cząstek, stąd terapia możliwa była jedynie przy wielkich laboratoriach fizycznych. Obecny postęp technologiczny dopasowuje terapię hadronową do warunków szpitalnych

Brachyterapia i terapia izotopowa Brachyterapia jest techniką radioterapii polegającą na bezpośrednim umiejscowieniu źródła promieniowa w okolicy lub w samej zmianie nowotworowej Wadami tej techniki jest skomplikowany proces planowania leczenia jak i samej implementacji izotopów (trudność dotarcia od niektórych miejsc i organów) oraz dość duże dawki promieniowania Niewątpliwą zaletą jest za to precyzja, która jest możliwa do osiągnięcia w przypadku terapii miejsc dobrze dostępnych (ogranicza to narażenie sąsiadujących tkanek) Źródła promieniowania umieszczane są w specjalnych aplikatorach zaś rzadziej stosuje się źródła w postaci stałej (np. igły) Izotopy stosowane w brachyterapii to izotopy irydu, kobaltu, cezu, jodu, tantalu, radu, fosforu, palladu i złota Odmianą metod radioterapeutycznych jest też wywodząca się z medycyny nuklearnej radioterapia izotopowa polegająca na podaniu radioaktywnego radiofarmaceutyku, w postaci otwartego źródła promieniowania (doustnie, domięśniowo, dożylnie). Niestety nie jest możliwe dokładne określenie rozkładu dawki ze względu na zróżnicowaną dynamikę wychwytu i wchłaniania radiofarmaceutyku Izotopy stosowane w radioterapii izotopowej to głównie izotopy jodu, fosforu i strontu

Literatura Z. Hrynkiewicz, E. Rokita, Fizyczne metody diagnostyki medycznej i terapii, PWN, Warszawa. 2000 B. Pruszyński red., Diagnostyka obrazowa: podstawy teoretyczne i metodyka badań. 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/