Strahlenphysik Medizinische Anwendungen

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1 Strahlenphysik Medizinische Anwendungen K. Poljanc Atominstitut der Österreichischen Universitäten, TU-Wien Tel:

2 Physik der ionisierenden Strahlung Atom Elektron wird abgelöst Ionisationsenergie typische Werte sind 10eV (Elektronenvolt), was der aufgenommenen Energie für ein Elektron beim Durchlaufen einer Beschleunigungsspannung von nur 10V entspricht. Protonenmasse ~ Neutronenmasse Protonenmasse ~ 2000 x Elektronenmasse

3 Themenschwerpunkte Diagnostik Nuklearmedizin Strahlentherapie Brachytherapie Konventionelle Strahlentherapie mit Photonen und Elektronen (Tele-Therapie) Protonen- und Ionentherapie

4 Conrad Wilhelm Röntgen V A K

5 Ziele der Diagnostik Verringerung der Patientendosis bei gleicher diagnostischer Fragestellung und gleicher Qualität Analog (Film), digital (Bildplatte) Verknüpfung mehrer diagnostischer Verfahren (CT, MR, PET, US,...) Qualitätskontrolle und Qualitätssicherung Reduktion des Datenmaterials (Hardcopy, File)...

6 Röntgendiagnostische Anwendungen, Klassische Verfahren Analoge und digitale Bildverarbeitung Durchleuchtung Angiographie Optimierte Mammographie Röntgencomputertomographie (Dichteverteilung des Gewebes in Transversalschnitten 1000 Graustufen)

7 Diagnostik CT (Computertomographie) MRI (Magnet Resonance Imaging) PET (Positron Emission Tomography) Szintigraphie,... Tumor Jänner 1989 Juli 1991 Jänner 1993 Juni 1993 Knochenmetastasen nach Prostata Ca.

8 CT-Prinzip

9 Schichtaufnahmen

10 Themenschwerpunkte Diagnostik Nuklearmedizin Strahlentherapie Brachytherapie Konventionelle Strahlentherapie mit Photonen und Elektronen (Tele-Therapie) Protonen- und Ionentherapie

11 Schilddrüse unauffällig Knoten links Sonographie Ausgeprägte Beschwerden

12 Vorverstärker Verstärker PHA Scanner Photomultipler NaI (Tl) Kollimator Photorekorder d Dicke (t) Fokale Länge (f) Fokus

13 Anger Kamera Diagnostik z.b.: Schilddrüsenfunktion ( 131 I), Metastasen, Physiologische- und Stoffwechselprozesse DA über QA in der Bildgebung, Filter,... (SMZ-OST)

14 Nuklearmedizin Ganzkörperzähler, Kalibrierung (alle γ-strahler) Aktivitätsverteilung: räumlich und zeitlich Kamera: Optimierung Kollimator und System Auflösungsvermögen: ±1cm, diagnostische Bedeutung, Strahlenschutz, Personal (offene Quellen, Katastrophenschutz) Therapie: Dosierung, Leakage Radiosynovektomie, Knochenmetastasen Samarium

15 Klinischer Ganzkörperzähler AKH-Wien

16 Forschungsaktivitäten am Institut für Nuklearmedizin, AKH-Wien, Klinischer Ganzkörperzähler Biodistibution von 165 Dy-DFH (Dysprosium-Ferric-Hydroxide); Verteilung von radioaktiven Substanzen (H. Fischer, Ulrike Prüfert, H. Aiginger, Ch. Pirich, E. Havlik, H. Sinzinger) Radiation Synovectomy von chronischen rheumatischen Veränderungen als Alternative zum chirurgischen Eingriff Dosisverteilung

17 Aktivität in Lymphknoten Diss. Helmut Fischer Applizierte Dosis ~1GBq von 166 Ho-Ferric-Hydroxide Kalibrierter klinischer Ganzkörperzähler (4 Detektoren) Ortsauflösungesvermögen ±1cm Profil Scann führt zu einer quantitativen Verteilung von 166 Ho- Ferric-Hydroxide im Knie und in anderen Organen (leakage)

18 1 day 166 Ho-Ferric-Hydroxide 3 days Charakteristische Gamma Line: 81 kev 7 days Lymphknoten

19 Knochenmetastasen Palliative Therapie von Knochenmetastasen mit 153 Sm-EDTMP Ethylen- DiamineTetraMethylene Phosphonate

20 Hochempfindlicher Ganzkörperzähler

21 Themenschwerpunkte Diagnostik Nuklearmedizin Strahlentherapie Brachytherapie Konventionelle Strahlentherapie mit Photonen und Elektronen (Tele-Therapie) Protonen- und Ionentherapie

22 Tumortherapie

23 Was ist ein Tumor? Ansammlung von Zellen, die an der Stelle im gesunden Körper nicht in dieser Form /nicht so zahlreich auftritt. Unterscheidung von Tumoren Benigne (= gutartige) Maligne (= bösartige) Karzinome (90%), z.b.: Mamma Ca., Prostata Ca.,... immer von der Oberfläche (Organoberfläche) ausgehend z.b.: menschlicher Darm (Länge 9m, Oberfläche 300m², täglich eine neue Zellschichte!) Sarkome (5%), aus dem Bindegewebe (Knochen, Knorpel, Muskel,...), Reproduktion: 6 Wochen Leukämie (5%), aus den blutbildenden Vorläuferzellen

24 Zellen - Reproduktion Durchschnittsmensch: 70 kg = 3x10 13 Zellen Täglicher Verlust an Zellen: 10 dag = ( 3 ) Zellen Körper produziert Zellen täglich! Haut (20 Schichten): kompletter Wechsel alle 3-4 Wochen Knochenmark: 120 Mio. Erythozyten / min. Granolozyten = Abwehrprofis, Lebensdauer 7h Pro Menschenleben (80 Jahre): ca 2500kg á10 12 Zellen

25 Stand der Krebstherapie in Europa Tod durch Prim ä rtum o r 18% geheilt durch Chirurgie 37% 45% geheilt geheilt durch Strahlentherapie geheilt durch Chirurgie und Strahlentherapie Tod durch Metastase geheilt durch Chemotherapie In Österreich treten jährlich etwa neue Krebserkrankungen auf (für das Jahr 2000). Im Jahr 2010 wird in Europa jeder 3. Mensch an Krebs sterben.

26 Brachytherapie Anwendung umschlossener radioaktiver Quellen Anwendungsformen Kontakttherapie (Kontakt zur Körperoberfläche z.b. in Körperhöhlen), Bestrahlungsgeometrie mit Applikatoren festgelegt Interstitielle Therapie: Strahler in Form von Nadeln, Drähten, Seeds (z.b. 198 Au, 125 I mit kurzen τ 1/2 oder 137 Cs mit langen τ 1/2 temporäre Applikatoren, die wieder entfernt werden.) Afterloadinganlagen Lungentumoren Speiseröhrentumore Gynäkologische Tumoren, einschließlich Brusttumoren Kopf-Halsbereich-Tumoren Darmtumor (Enddarm) nur in Ausnahmefällen Tumoren der männlichen Genitalien Weichteiltumoren einschließlich der Haut

27 Kopf eines Afterloading - Gerätes

28 Strahlenquellen für Afterloading Nuklid τ 1/2 Zerfall E β,max [MeV] E β,mittel [MeV] E γ [kev] E γ,mittel [kev] 60 Co 5,27a β 0,331 0, , Cs 30,14a β 0,51; 1,18 0, Ir 73,8d K, β 0,17 0,

29 Angioplastie und Stenttherapie

30 Endovasculäre Brachytherapie

31 Konventionelle Strahlentherapie (Tele-Therapie) Therapie im Nomalabstand von 100 cm Bremsstrahlung (LINAC) oder radioaktive Quelle ( 60 Co) In Abhängigkeit von der Tumorart und dem Fortschritt der Erkrankung werden Dosen bis zu ca. 75 Gy in Fraktionen zu 1,8-2 Gy (~5x wöchentlich) lokal verabreicht. Ganzkörperbestrahlung bei Leukämie oder anderen den ganzen Organismus befallenden Erkrankungen (10 Gy)

32

33 Teletherapie mit Linac LINAC (Linear Accelerator) Elektronen, Photonen

34 Bestrahlungsplanung

35 Rekonstruktion

36 Qualitätskontrolle / Qualitätssicherung Phantommessungen am Linac Ionisationskammer

37 Eindringverhalten in Gewebe Protonen- und Photonentherapie Ionentherapie.

38 Tiefendosisverhalten Energieabgabe Photonen Protonen Plateau Spread out Bragg Peak (SOBP) Querprofil Singel Bragg Peak (SBP) Eindringtiefe

39 Photonen vs. Protonen vs. Ionen- Therapie

40 Biologie Zellüberleben

41 Synchrotrone - Kreisbeschleuniger HIMAC / Japan LEAR /Cern

42 Prot 2 Felder Prot 4 Felder Phot 4 Felder Prot 6 Felder

43 Lehrveranstaltungsangebot Aiginger, Poljanc VO - Einführung in die Biomedizinische Technik - WS'05 2, PR - Projektarbeiten über Strahlungsmessung u. angew. Sp. - WS'05 8,0 oder SS'05 8, PR - Projektarbeiten über Beschleunigeranwendungen -WS'05 8,0 oder SS'05 8, PR - Projektarb. über physikalische Methoden i. d. Med. - WS'05 8,0 oder SS'05 8, PV - Privatissimum für Diplomanden angew. Strahlenphysik - WS'05 8,0 oder SS'05 8, PR - Projektarbeiten aus angew. Strahlenph. - WS'05 8,0 oder SS'06 8, SV - Strahlenphys. Methoden in der Medizin -SS'06 2, PV - Priv.f.Dipl.u.Diss.aus angew. Strahlenphysik - WS'05 8,0 oder SS'06 5, PR - Prakt. am Van De Graaff Beschl. - WS'05 4, SV - Strahlenphysik - SS'06 3, PR - Prakt. Übungen aus Strahlenphysik - WS'05 4,0 oder SS'06 4, LU - Radioakt.u.Kernerg.in Umwelt u.technik - WS'05 4,0 und SS'06 4, VO - Str.Phys.u.Ges.Aspekte d.strahlenschutz. - WS'05 2, SE - Strahlenphys. Anw. in Technik u.medizin - WS'05 2,0 und SS'06 2, SV - Teilchenbeschleuniger - WS'05 3,0