Aplikace jaderné fyziky Ing. Carlos Granja, Ph.D. Ustav technické a experimentální fyziky ČVUT v Praze XI 2004 1
Aplikace jaderné fyziky lékařské aplikace (zobrazování, radioterapie) výroba radioisotopů (nukleární medicína) výroba energie (štěpení, fúze) analýza materiálů (neutronová aktivační analýza, PIXE, radioaktivní datovaní, průzkum geologicky) senzory a detektory požáru radiační ochrana & dozimetrie XI 2004 Carlos Granja, ÚTEF ČVUT Praha 2
Lékařské aplikace zobrazování* radioterapie diagnostická radiologie - filmová radiografie (screen-film) - mamografie - fluoroskopie - digitalní radiografie -počítačová tomografie (CT) nuclearní medicína - scintilační kamera - positronová emisní tomografie (PET) - jedno fotonová emisní tomografie (SPECT) urychlovače - fotonové svazky - elektronové svazky - svazky těžkých nabitých částic (p,d,he,c) reaktory - neutronová terapie radioaktivní zdroje - brachyterapie - teleterapie ( 60 Co jednotky) - nuklearní medicína * Techniky nepoužívající ionizující záření zahrnují: ultrazvuk, nukleární magnetické zobrazování (NMI) XI 2004 Carlos Granja, ÚTEF ČVUT Praha 3
Lékařské aplikace zobrazování* radioterapie XI 2004 Carlos Granja, ÚTEF ČVUT Praha 4
Filmová radiografie XI 2004 Carlos Granja, ÚTEF ČVUT Praha 5
Filmová radiografie Diagnostické roentgenové záření je obvykle ~ 30 kev, které poskytuje optimální kontrast mezi měkkou tkání a kostí. FLUOROSKOPIE Kontinuální akvizice sekvence roentgenových snímků v průběhu času (tzv. real time rentgenografie; jakési roentgenové video). MAMOGRAFIE Je radiografie prsu. Používá roentgenové záření s nižší energií. Používá se pro monitorování a pro diagnostiku. XI 2004 Carlos Granja, ÚTEF ČVUT Praha 6
Digitalní radiografie Pixelové detektory: vysoké prostorové rozlišení, velký kontrast, jedno fotonová detekce. XI 2004 Carlos Granja, ÚTEF ČVUT Praha 7
Digitalní (dentalní) radiografie XI 2004 Carlos Granja, ÚTEF ČVUT Praha 8
Digitalní (dentalní) radiografie XI 2004 Carlos Granja, ÚTEF ČVUT Praha 9
Počítačová tomografie (CT) CAT = Computed Axial Tomography Tomo = řezy (slices); Graph (obraz) Axial = rovina kolmá k centrální ose těla Fotografický film je nahrazen mnoha detektory záření V X-ray zobrazovaní je superpozice mnoha vrstev bez informace o jednotlivých vrstvách. Velký počet obrázků sbíraných pod různými úhly první zobrazovací technika používající počítač. začátek v 70-tých letech hlavní výhoda je získávání obrazu jednotlivých rovin bez superpozice a narušení dalších vrstev. typické snímky mají tloušťku 5 mm (např. pro 30 cm hloubku je třeba 60 snímků) a trvají 10 sekund. XI 2004 Carlos Granja, ÚTEF ČVUT Praha 10
Počítačová tomografie XI 2004 Carlos Granja, ÚTEF ČVUT Praha 11
Počítačová tomografie V protonové počítačové tomografie: energetické ztráty (absorpce rentgenového záření) XI 2004 Carlos Granja, ÚTEF ČVUT Praha 12
Nukleární medicína Nukleární medicína je samostatný lékařský obor, který se zabývá aplikacemi radiofarmak pro diagnostické a terapeutické účely. Oproti tradičním radiologickým a radioterapeutickým technikám, kde záření je aplikováno externím zdrojem, v nukleární medicíně je radioaktivní látka dávkována pacientům interně za účelem: zobrazování (diagnostika, monitorování funkčnosti) léčby (radioterapie, krevní cévy, atd. ) DIAGNOSTIKA Nejčastěji používaná metoda Jisté složení, které má určité fyziologické vlastnosti, je využito jako nosič za pomoci tzv. radio-označování (radiolabelling). Radioaktivní látka je použita jako stopový prvek ke sledování určitého fyziologického procesu (např. nemoci). Distribuce radioaktivní látky v pacientovi je sledována buď průběžně v čase (dynamické zobrazování) nebo jen celkově (statické zobrazování). Nukleární medicína patří mezi druhu funkcionálního zobrazování, kde místo anatomických snímků se získává informace o fyziologické kondici pacienta. Např. talium (Tl) se koncentruje v zdravé srdeční tkáni, nikoliv v nemocné. U štítné žlázy se koncentruje jód (I). Používána méně často RADIOTERAPIE Radioaktivní látka je použita jako léčebný element (ničení rakovinové tkáně, hyperaktivní orgány žlázy) Určitá dávka radioaktivního preparátu je pacientovi stříknuta do těla Obvykle se užívá beta záření, které má krátký dosah (několik mm). Např. k léčbě rakoviny štítné žlázy se používá radioaktivní jód 131 I Nukleární medicína získává tzv. emisní snímky (oproti radiografii zobrazování přes transmisi). XI 2004 Carlos Granja, ÚTEF ČVUT Praha 13
Nukleární medicína NUKLEÁRNÍ MEDICÍNA Diagnostika Terapie Vyšetřovací metody in vivo Vyšetřovací metody in vitro Aplikace radiofarmak se zářiči gama do organismu Radiofarmakum se neaplikuje do organismu Radiofarmaka se zářiči β (α) se aplikují do organismu Zobrazovací metody (SPECT, PET) Časové histogramy Stanovení koncetrace sledovaných látek v séru Léčba nádorových i jiných onemocnění Radiofarmaka jsou léčivé přípravky obsahující chemickou sloučeninu, jejíž účinnou složkou je radionuklid. Používá se ke sledování příjmu, rozložení, metabolismu a vylučování RA detekcí a ke zničení cílové tkáně. XI 2004 Carlos Granja, ÚTEF ČVUT Praha 14
Nukleární medicína Poločasy rozpady zářičů jsou krátké, aby se snížila radiační zátěž pacientům. Tím však tyto látky nemohou byt skladovány, ale musí byt vyráběné v závislosti na potřebě a to buď jaderným reaktorem, urychlovačem či generátorem. V generátoru mateřský zářič průběžně produkuje dceřiný zářič, který je pravidelně extrahován chemickými metodami a pak je inkorporován do požadované nosiče. Technicium ( 99 Tc) dostupné & cenově výhodné netoxické možnost vázat ho do řadu sloučenin optimální detekční energie (140 kev) Gama zářič optimální poločas rozpadu (6 hodin) XI 2004 Carlos Granja, ÚTEF ČVUT Praha 15
Nukleární medicína Radionuklidový generátor Mo 99m Tc 99m Mo 99m Tc 81 Rb 81m Kr 113 Sn 113m In 195m Hg 195m Au 90 Sr 90 Y t ~ 2.5 d. & t ~ 6 h. XI 2004 Carlos Granja, ÚTEF ČVUT Praha 16
Jednofotonová tomografie (SPECT) planární tomografická XI 2004 Carlos Granja, ÚTEF ČVUT Praha 17
CT & SPECT CT Transmisní tomografie SPECT Emisní tomografie XI 2004 Carlos Granja, ÚTEF ČVUT Praha 18
Jednofotonová tomografie (SPECT) XI 2004 Carlos Granja, ÚTEF ČVUT Praha 19
Jednofotonová tomografie (SPECT) Kolimátor gama kamery XI 2004 Carlos Granja, ÚTEF ČVUT Praha 20
Jednofotonová tomografie (SPECT) Detektor: scintilátor + fotonásobič XI 2004 Carlos Granja, ÚTEF ČVUT Praha 21
Pozitronová emisní tomografie (PET) Sloučeniny jako např. Glukóza jsou označené pomocí beta plus (pozitronových) zářičů: Uhlík 11 [20 min] Dusík 13 [10 min] Fluor 18 [110 min] Kyslík 15 [2 min] vyrobeny cyklotronem: 15 O, 13 N, 11 C, 18 F vyrobeny generátorem: 82 Rb, 62 Cu, 68 Ga XI 2004 Carlos Granja, ÚTEF ČVUT Praha 22
Pozitronová emisní tomografie (PET) XI 2004 Carlos Granja, ÚTEF ČVUT Praha 23
Pozitronová emisní tomografie (PET) Stacionární systém Rotující systém XI 2004 Carlos Granja, ÚTEF ČVUT Praha 24
PET & SPECT Kombinovaný PET a SPECT systém XI 2004 Carlos Granja, ÚTEF ČVUT Praha 25
Lekářské aplikace lékařské zobrazování* radioterapie diagnostická radiologie - filmová radiografie (screen-film) - mamografie - fluoroskopie - digitalní radiografie -počítačová tomografie (CT) nuclearní medicína - scintilační kamera - pozitronová emisní tomografie (PET) - jedno fotonová emisní tomografie (SPECT) urychlovače - fotonové svazky - elektronové svazky - svazky těžkých nabitých částic (p,d,he,c) reaktory - neutronová terapie radioaktivní zdroje - brachyterapie - teleterapie ( 60 Co jednotky) - nukleární medicína * ultrazvuk, nuklearní magnetické zobrazování (NMI) XI 2004 Carlos Granja, ÚTEF ČVUT Praha 26
Radioterapie Interakce s tkání dopadající záření ionizuje atomy molekul ozařované tkáně. čas ~ 10-16. fyzikální změny ionizované molekuly se podílejí na chemických reakcích, které uvolňují volné radikály a další excitované molekuly. čas ~ 10-3. chemické změny. Volné radikály jsou zachyceny v komplexní biologické složce na molekulární úrovni a narušují její biologické funkce. čas ~ hodiny až roky. biologické změny Lineární přenos energie lineární přenos energie (LET) stanoví množství energie deponované na jednotku délky. vysoký přenos: těžké ionty, alfa částice: ~ 100 kev/µm. Mají krátký dosah: ~ 0.1 1.0 mm. nízký přenos: elektrony, fotony: ~ 1 kev/µm. Mají krátký dosah: ~ cm. Podíl přežití buněk z obnovitelné a neobnovitelné složky. Přenos energie fotonů a elektronů v závislosti na hloubce XI 2004 Carlos Granja, ÚTEF ČVUT Praha 27
Fotonová a elektronová terapie Lineární urychlovače generují fotonové a elektronové svazky. Základní komponenty: elektronový zdroj, urychlovací komora (rezonanční komora klystron) a terčík s materiálem s vysokým Z. Svazek je modifikován pomocí vyrovnávacích filtrů (k získání uniformního svazku) a kolimatorů k tvarovaní příčného průřezu svazku (např. multileaf kolimátory) XI 2004 Carlos Granja, ÚTEF ČVUT Praha 28
Hadronová terapie Relativní distribuce dávky Relativní distribuce dávky neutrony neutrony jsou případ nepřímo ionizujícího záření interakce neutronů s látkou je prostřednictvím různých reakcí. Dominantní reakcí je pružný rozptyl na vodíku, kdy se produkuje vysokoenergetický LET proton. Další reakce je (n,α) na 16 O, která produkuje vysokoenergetické LET α částice. Další pružné rozptyly na uhlíku a kyslíku produkují odražená těžká jádra C, O, která též mají vysoký LET. piony v látce jsou zpomalované a zastavované. Jsou zachyceny jádra prostřednictvím jaderných reakcí. XI 2004 Carlos Granja, ÚTEF ČVUT Praha 29
Hadronová terapie modulace: energie, intenzity XI 2004 Carlos Granja, ÚTEF ČVUT Praha 30
Hadronová terapie XI 2004 Carlos Granja, ÚTEF ČVUT Praha 31
Hadronová terapie Monitorování dávky XI 2004 Carlos Granja, ÚTEF ČVUT Praha 32
Aplikace jaderné fyziky lékařské aplikace (zobrazování, radioterapie) výroba radioizotopů (nukleární medicína) výroba energie (štěpení, fúze) analýza materiálů (neutronová aktivační analýza, PIXE, radioaktivní datovaní, průzkum geologicky) senzory a detektory požáru radiační ochrana & dozimetrie XI 2004 Carlos Granja, ÚTEF ČVUT Praha 33
Příprava radionuklidů urychlovač reaktor Cyklotron U-120M U v r.2003 67 Ga, 201 Tl, 123 I, 111 In, 81 Rb, 57 Co, 127 Xe, 11 C, 15 O, 13 N, 18 F reakce (p,n), (d,n), (d,2n), (d,α), (α,n),... štěpení (n,f) 99 Mo, 131 I, 132 Te, 133 Xe, 137 Cs, aktivace (n,γ) 59 Fe, 60 Co, 75 Se, 99 Mo, 113 Sn, 131 Te, 125 I, 131 I, 51 Cr XI 2004 Carlos Granja, ÚTEF ČVUT Praha 34
Příprava radionuklidů urychlovač XI 2004 Carlos Granja, ÚTEF ČVUT Praha 35
Příprava radionuklidů Pomocí reaktoru štěpení aktivace XI 2004 Carlos Granja, ÚTEF ČVUT Praha 36