Ett hundre strålende år... … en oversikt over medisinsk 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 Fysikk + Medisin = “The End of Science” “The Science” John Horgan

Medisinsk strålingsfysikk Medisinske fysikere arbeider i sykehus (hovedsakelig ved universitets-klinikkene) med kliniske oppgaver knyttet til: strålebehandling av kreftpasienter bildediagnostikk (CT & MR) nukleærmedisinsk undersøkelse og terapi fysiologiske målemetoder ….. Medisinske fysikere arbeider også med forskning og utvikling innen de samme områder Medisinske fysikere ansettes også i medisinsk-teknisk og farmasøytisk industri, konsulentfirmaer og innen høyere utdanning Farge Doppler-bilde av blodflow

Medisinsk strålingsfysikk Kort tid etter oppdagelsen av radioaktivitet og røntgenstrålene, ble det klart at stråling kunne utnyttes i terapi og diagnostikk ved patologiske tilstander Det Norske Radiumhospital ble etablert i 1932 i den hensikt å ta i bruk Radium i kreftbehandling. Marie Curie (1867 - 1934) Henri Becquerel (1852 - 1908) W. C. Røntgen (1845 - 1923)

Medisinsk strålingsfysikk Medisinsk fysikk ble et selvstendig fag gjennom oppdagelsen - og ikke minst gjennom den medisinske utnyttelse - av røntgenstrålene og radioaktivitet Røntgen innså at den nye strålingen hadde helt spesielle egenskaper sammenlignet med f.eks. synlig lys. Strålingen trengte gjennom og vekselvirket med materie slik at man kunne få avbildet indre strukturer som fingerskjelettet. Det sies at dette fotografiet er av fru Røntgens hånd. Rekkevidden av Røntgens oppdagelse ble raskt oppfattet av verdenssamfunnet og kort tid etter at resultatene ble allmennt kjent ble røntgenbilder brukt til å påvise beinbrudd. Aakus & Poppe. Medisinsk radiologi i Norge 1995

Medisinsk bilde-diagnostikk ved bruk av ioniserende stråling

Bildemodaliteter Konvensjonell røntgen Computer tomografi (CT) Radioisotopavbilding Konvensjonell scintigrafi Enkelt foton emisjons computer tomografi (SPECT) Positron emisjons tomografi (PET) Ultralyd Magnetisk resonans tomografi (MR) Emnet medisinske bildemodaliteter er et stort felt. I dag har jeg valgt å begrense meg til å snakke om de 5 viktigste teknikkene… I tillegg finnes det noen andre teknikker som kan brukes til å avbilde anatomiske strukturer…

Røntgenstråling Røntgenstråling er elektromagnetisk stråling Røntgenstråling dannes når... elektroner med høy hastighet bremses (bremsestråling) atomelektroner nær kjernen “slås ut” (karakteristisk stråling) Halliday et al. Physics 1992

Røntgenstråling Røntgenstråling genereres i røntgenrør Shung et al. Principles of medical imaging 1992 Røntgenstråling genereres i røntgenrør Attenuasjon i vev (avtakende intensitet) Webb. The physics of medical imaging 1998

Attenuasjon av strålingi ulike vev Krestel. Imaging systems for medical diagnostics 1990

Hva skjer med røntgenfotoner i vev? Fotoelektrisk effekt (absorpsjon av foton) Comptonspredning (spredning av foton) Shung et al. Principles of medical imaging 1992

Vekselvirkning ved diagnostikk-kavliteter Stor Z-avh. Diagnostiske energier 20-150 keV Bløtvev: Z=7.5 Ben: Z=13 20-150 keV Attix. Introduction to radiological physics... 1991

Bildedannelse med røntgen Film Ionisasjons-kammer Fluoriserende krystaller m. fotomultiplikator (pm) rør Halvlederteknologi Ønsker å fjerne spredt stråling - gir mer støy i bildet - spredt stråling gir uspesifikk informasjon på filmen og kan fjernes vha. raster. Væske eller gassfylt Shung et al. Principles of medical imaging 1992

Røntgenbilde av bekken

Computer tomografi (CT) ”Et meget fascinerende videreutvikling av Røntgenteknikken stod en britiske elektroingeniør og en fysiker født i Sør-Afrika for. For utviklingen av det vi i dag kjenner som computer-tomografen, CT, ble Sir Godfrey Hounsfield og Alan Cormach tildelt Nobelprisen i 1979, denne gangen i medisin.” ”Fysikkens plass i den moderne medisin”, P2-akademiet, NRK.

Computer tomografi (CT) Computer tomografi som metode ble foreslått allerede i 1917 av Radon men teknikken krever omfattende utregninger og dermed datamaskin for å fungere i praksis. Først på 60-tallet begynte Radons ide og bli realisert og den 1. CT scanneren ble bygget i 1972 av Cormack & Hounsfield som ble belønnet med Nobelprisen. Computer tomografi er en videreutvikling av konvensjonell røntgen der man roterer røntgenrøret 3600 rundt pasienten og registrerer strålingen som kommer ut på den andre siden. Motivasjonen for utviklingen av CT er at konvensjonell røntgen ikke kan avbilde tverrsnittsbilder av kroppen. I mange sammenhenger er tverrsnittsbilder svært nyttig... Krestel. Imaging systems for medical diagnostics 1990 Siemens AG. Multislice CT CD-ROM 1998

Tilbakeprojeksjon I=I2 I=I1 Detektor 1

Tilbakeprojeksjon I=I2 I=I2 I=I1 I=I1 Detektor 1 Må finne tilbake til hver pixel Projiserer målt intensitet tilbake inn i bildet fra flere forskjellige retninger

Filtrert tilbakeprojeksjon Powsner & Powsner. Nuclear medicine physics 1998

Radioisotop avbilding Inntak av radioaktivt stoff - fotonemitter Fotonenergi 50-300 keV - 99mTc er klassiker (140 keV) Selektivt opptak Registrerer emitterte fotoner og retning  bilde av fordeling av radioaktivitet De første forsøkene med bruk av radioisotoper til å avbilde indre organer ble gjort av Cassen i 1949 som gjorde forsøk med avbilding av skjoldbruskkjertelen med radioaktivt jod (131I) som tas opp selektivt av dette organet og inngår som byggesten i skjoldbruskjertelhormoner. Radioisotopavbilding (som er en del av nukleærmedisinen) er en metode for å avbilde fordelingen av radioaktivitet i kroppen. Pasienten inntar et radioaktivt stoff som ofte har spesielle biokjemiske egenskaper som gjør at det tas opp selektivt av det organet man ønsker å avbilde eller undersøke funksjonen av... Krestel. Imaging systems for medical diagnostics 1990

Konvensjonell scintigrafi Powsner & Powsner. Nuclear medicine physics 1998

Skjelettscintigrafi 99mTc kompleksbundet til difosfanat avleires i proliferativt knokkelvev Påvise ikke-dislokerte brudd Påvise metastaser Osteoblastene forsøker å regenerere vev ved metastasen Rootwelt Nukleærmedisin 1995

SPECT Enkelt foton emisjons computer tomografi Som konvensjonell scintigrafi men registrerer emitterte fotoner i mange plan rundt pasienten Filtrert tilbakeprojeksjon gir 3D fordeling av radioaktiv isotop Konvensjonell scintigrafi - SPECT analogt med konvensjonell røntgen - CT Powsner & Powsner. Nuclear medicine physics 1998

SPECT anvendelse Lungeperfusjonsmåling med 99mTc bundet til albumin Albumin-99mTc avsettes i lungekapillærene

SPECT anvendelse Seppenwoolde et al. Int J Radiat Oncol Biol Phys 2000

PET p+  n + e+ +  Detekterer 511 keV fotoner simultant Positron emisjons tomografi p+  n + e+ +  PET baserer seg på deteksjon av simultane fotoner etter annihilasjon følgelig trenger man ikke kollimatorer for å skille ut spesifikk informasjon. Detekterer 511 keV fotoner simultant Trenger ikke kollimatorer Bedre sensitivitet og oppløsning enn SPECT Powsner & Powsner. Nuclear medicine physics 1998 Krestel. Imaging systems for medical diagnostics 1990

PET Karbon, nitrogen, oksygen har e+ emitterende isotoper Positron emisjons tomografi Karbon, nitrogen, oksygen har e+ emitterende isotoper Inngår i biomolekyler - lage e+ emitterende biomolekyler Kort halveringstid: 2-20 min.  syklotron (NOK 25 mill.) 18F-deoxyglukose (18FDG). Halv.tid: 110 min. Avbilde glukoseopptak i vev - mål for metabolsk aktivitet

Hjerneaktivitet målt med 18FDG Shung et al. Principles of medical imaging 1992

Tumoravbilding: PET + CT Skretting upublisert

Stråleterapi ved kreft

Stråleterapi langs nye veier, eller ”paa gjengrodde stier” ? Stråleterapi – 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 - år 1930

Stråleterapi langs nye veier, eller ”paa gjengrodde stier” ?

Fysikk i stråleterapi

Stråleterapi langs nye veier, eller ”paa gjengrodde stier” ? pionerene i strålingsvitenskapen observerte og erfarte raskt at stråling gir biologisk virkning dette ga støtet til å søke å utnytte stråling i kreftbehandling

Stråleterapi langs nye veier, eller ”paa gjengrodde stier” ? Forventet økt 5års-overlevelse Mer presis definisjon av tumorvolum 3% Bedret bestrålingsteknikk og utnyttelse av biologiske modeller 4% Mer optimal stråledose pr. behandling, samlet behandlingstid og total stråledose 3% Ny utvikling og nye forskningsresultater ? Bedret overlevelse >10% Kilde: Statens beredning för utvärdering av medicinsk metodik, SBU-129/1

Stråleterapi langs nye veier, eller ”paa gjengrodde stier” ? Optimalisering av stråle-terapi, d.v.s. lavere senskadefrekvens og økt tumorkontroll, søkes gjennom: Fysikalsk optimalisering Biologisk optimalisering

Fysikk 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 m, som igjen er avgjørende for beregning av dosefordeling

Fysikere i stråleterapi Medisinske 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 stråleterapi Friskvevsskade søkes redusert gjennom av avgrense avsatt dose til det volum som skal behandles; dette omtales som konformal terapi. “Conformity index” er et mål på hvor vel avgrenset dose-fordelingen er i forhold til svulstvevet: CI=Vtarget/Vtreated Vratget Vtreated

Konformal stråleterapi ved 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 stråleterapi ved IMRT Område som ønskes bestrålt - d.v.s tumor (rødt), område som ikke ønsker bestrålt, d.v.s ryggmarg (blått).

Konformal stråleterapi ved IMRT Strålefelt oppbygd av ulikt antall segmenter og dose-nivåer Røntgenfilm som viser tilsvarende dosefordelingen i strålefeltet Tumor (rødt) om-kranset av strålefelt (grønn).

Konformal stråleterapi ved IMRT Et strålefelt bygges opp av ulike segmenter, hvert med en spesifikk dose Seg.1 Seg. 2 Seg.3 Seg.4 Seg.5 Seg.6 Seg.7

Konformal stråleterapi ved IMRT Ulike segmenter oppnås ved å justere åpningen mot strålekilden under behandling Total stråledose

Konformal stråleterapi ved IMRT 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 stråleterapi ved IMRT Ved IMRT fordeler stråle-dosen seg rundt tumor (rød), uten at kritiske organer som ryggmargen belastes for mye

BioART ved IMRT Histologisk snitt PET-bilde MR-bilde gjennom tumor PET- og MR-bilder kan gi informasjon om i hvor stor grad tumor er vel oksygenert, og dermed si noe om tumor strålefølsomhet Oksygenrike områder:

BioART ved IMRT Områder med strålebiologisk “ufordelaktig” karakter-istikk kan gis en tilsiktet økt dose pr. behandling enn øvrig svustvevet. Økt tumor kontroll !

Målsøkende radioaktive forbindelser Det finnes radioaktive forbindelser som søker seg fram til svulsten, bl. annet merkede monoklonale antistoffer mot molekyler på tumorcellenes overflate. Fra disse radioisotopene sendes det ut stråling som kan drepe kreftcellene Slik behandling må ofte kombineres med ekstern strålebehandling.

Målsøkende radioaktive forbindelser a-partikkel-track i tumorvev Normal og destruert trabekelnettverk i bein

Målsøkende radioaktive forbindelser Eksempel på opptak av en målsøkende radioaktiv for-bindelse, vist ovenpå et CT-bilde

Protonterapi Protoner gir maksimal doseavsetning i et gitt dyp svarende til Bragg-peak, i motsetning til fotoner hvor dosemaks. ligger nær overflaten. Ved å benytte ulike energier kan området som Bragg-peaken dekker gis ønsket dybde. Dybdedosefordeling, d.v.s. Doseavsetning som funksjon av dyp i pasienten, for fotonstråling og singel-energi proton-stråling.

Protonterapi Sum av et knippe med protonstråler med ulik energi gir et dose-platå; dette kan tilpasses tumor-utstrekning og dermed gi en vel avgrenset dosefordeling

Protonterapi Protonterapi gir en C.I. nærmere 1 enn andre kjente behandlings-teknikker

Bor-nøytron ”capture” terapi - 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

BNCT 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.

BNCT BNCT konsentrerer dosen til tumor, mens stråle-belastningen til normalt hjernevev blir lav. 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.