PARÇACIK HIZLANDIRICILARININ TIP UYGULAMARI BAYRAM DEMİR İSTANBUL ÜNİVERSİTESİ IX. UPHDYO, 10 15 Eylül 2013
Sağlık Fiziği ve Parçacık Hızlandırıcıları Radyasyonun teşhis, tedavi ve araştırma amaçlı olarak insan sağlığı alanında kullanılanımı ile ilgilenen, fen ve sağlık bilimlerinin ortak bir disiplinidir. Tarihsel gelişim açısından bakıldığında ise Sağlık Fiziği ve Parçacık Hızlandırıcılarının gelişimi paralel olmuştur. 2
İlk Sağlık Fizikçisi ve Parçacık Hızlandırıcısı Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923 ) W.C. Röentgen tarafından eşi Frau Röentgen ne çekilen ilk X-ışını filmi 3
Radyasyonun İlk Uygulamaları 1896 da bir radyolog tarafından çekilen x-ışını görüntüsü 4
Radyasyonun Son Uygulamaları 1896 2010 5
Sağlık Fiziğinin Ana Branşları Klinik Bilimler Radyoloji Nükleer Tıp Radyoterapi. Temel Bilimler Biyofizik Radyobiyoloji Adli Tıp Biyomedikal Mühendislik 6
RADYOLOJİ Radyoloji, sağlık fiziğinin x-ışınlarının, Magnetik Rezonans yada ses dalgalarının (ultrasound) insan vücudunu görüntülemede kullanıldığı branşıdır. Sağlık fiziğinin en eski uygulamasıdır ve Wilhelm Conrad Röntgen tarafından 1895 yılında röntgen ışınlarının keşfi ile başlar. W.C. Röentgen tarafından eşi Frau Röentgen ne çekilen ilk X-ışını filmi 7
Röntgen Cihazları Röntgen cihazının ana elemanı röntgen tüpleri ve x-ışını filmleridir. Röntgen tüpleri 10-200 kv enerji aralığında X-ışınları üretebilirler. X-ışınları tüpünden elde edilen ışınlar hasta üzerine gönderilir. Farklı yoğunluktaki dokular tarafından farklı miktarlarda absorbsiyona uğratılan ışınlar (Fotoelektrik olaydan dolayı) üzerine düştükleri film de de farklı miktarda kararmaya sebep olur. Bu sayede kemik gibi çok yoğun dokular film üzerende beyaz görülürken akciğer gibi daha az yoğun dokularda siyah görülür. Bu arada yumuşak dokularda gri tonlarında görülür. 8
Röntgen Tüpü Bir X-ışının tüpünün çalışma prensibi: Havası boşaltılmış bir tüp içerisinde ısıtılan tungsten telden elde edilen elektronlar, anot katot arasına uygulanan yüksek gerilim etkisi ile bakır anoda çarpar. Anot atomları ile etkileşen elektronlar X-ışını (Bremsstrahlung ve Karakteristik X-ışınları) oluşmasına sebep olurlar. 9
Dijital Röntgen Filmi Klasik Röntgen Filmi Dijital Röntgen Filmi Gelişen detektör ve bilgisayar teknolojisi sayesinde röntgen filmi görüntülerinin yerine dijital görüntüler kullanılmaya başlanmıştır. Burada film banyo işlemleri olmadığından detaylar daha fazladır. 10
2-Bilgisayarlı Tomografi Tomografi kelimesi Yunancadaki tomos (kesit) ve grafia (görüntü) kelimelerinin birleştirilmesi ile elde edilmiştir. Bilgisayarlı Tomografi cihazı Amerikalı fizikçi Allan M. Cormak tarafından teorize edilmiş, ancak ilk prototip 1967-1971 yılları arasında İngiliz elektrik mühendisi Sir Godfrey Hounsfield tarafından üretilmiştir. 1972 yılında tanı alanına soktuğu ve X- ışınının keşfinden bu yana yapılmış en büyük ilerleme olarak kabul edilen bu yöntem iki bilim adamına da 1979 da Nobel ödülü kazandırmıştır. 11
Bilgisayarlı Tomografi Spiral Tomografi, son nesil bu tomografi cihazında röntgen tüpü Hasta etrafında dönerken, masa da İleri doğru hareket etmektedir. Bilgisayarlı tomografi x-ışını kullanılarak vücudun incelenen bölgesinin kesitsel görüntüsünü (her üç düzlemde de) oluşturmaya yönelik bir görüntüleme yöntemidir. Bilgisayarlı tomografi görüntü ile normal röntgen filmlerinde görülmeyen yumuşak doku detayları görülebilmektedir. İnceleme sırasında hasta bilgisayarlı tomografi cihazının masasında hareket etmeksizin yatar. Röntgen tüpü hasta etrafında 360 derece dönerek hareket eder. Cihazın ana elemanları hasta etrafında 360 derece dönebilen bir röntgen tüpü ve karşısında sıralanmış bir dizi detektör dür. Detektörler vasıtasıyla vücuttan geçen x- ışınlarının bilgisayar hafızasına toplanır. 12
BT Uygulamaları Akciğer tümörleri, akciğer ve tümör arasındaki yüksek yoğunluk farkından dolayı BT de kolayca tespit edilebilmektedir. 13
NÜKLEER TIP Nükleer tıp, sağlık fiziğinin radyoizotopların insan vücudunu görüntülemede (bazı durumlarda tedavi için) kullanıldığı branşıdır. Nükleer tıpta amaç, hastalıkların teşhisidir. Radyolojini yetersiz kaldığı durumlarda kullanılan bir yöntemdir. Radyolojide anatomik yapılar görüntülenirken, nükleer tıpta ise metabolik ve fonksiyonel olarak görüntüleme yapılır. Bir nükleer tıp görüntüsü elde etmek için iki önemli bileşen gereklidir. 1) Gama Işını Yayınlayan Bir Radyoizotop 2) Hastadan yayınlanan ışınları detekte eden bir detektör sistemi-gama kamera Elbette ki Personel ve Hasta; Personel; Nükleer Tıp Uzmanı Hekim, Nükleer Tıp Fiziği Uzmanı Sağlık Fizikçisi, Tekniker, Hemşire, Hasta Bakıcı 14
Nükleer Tıp da Uygulama Nasıl Yapılır. 1-Gama ışını veren bir radyoizotop (örneğin 99m Tc, 131 I) kan yada ağız yolu ile vücuda verilir. 2-Biyolojik bir molekülle işaretlenmiş olan bu radyoizotop (radyofarmasötik) bir süre sonra görüntülenmek istenilen organda bol miktarda toplanır. 3-Daha sonra hasta gama kameranın altına yatırılarak, gama kameranın hastadan yayınlanan fotonlarını dedekte etmesi sağlanır. 4-Detektör tarafından detekte edilen bu fotonlar bilgisayarın hafızasında depolanır. 5-Daha sonra bilgisayar tarafından görüntü haline getirilir. Radyoaktif malzeme enjekte edilmiş ve radyoaktivitenin vücuda yayılması için bir süre bekletilmiş bir hastanın gama kamerada görüntülenme anı. 15
Gama Kameralar ve (Sintilasyon Kameraları) Gama Kamera Gama Kamera (Kolimatör çıkmış) PMT leri (sayıları40-90 arası olabilir) NaI(Tl) Kristali (30-50 cm çaplı) 16
Gama Kamerada Görüntüleme Prensibi Hastadan yayınlana gama fotonları kolimatörler aracılığı ile NaI(Tl) kristaline ulaştırılır.burada oluşan sintilasyon fotonları PMT ler aracılığı ile akım sinyallerine çevrilir.bu sinyaller bilgisayarın hafızasında toplanır ve daha sonra 2 boyutlu (planer) görüntülere dönüştürülürler. 17
PET Pozitron Emisyon Tomografi Nükleer tıpta çok önemli bir uygulamada Pozitron Emisyon Tomografidir (PET). PET, pozitron emisyonu yapan radyoizotoplardan elde edilen pozitronun elektronla birleşmesi sonucu ortaya çıkan 511 kev lik yok olma fotonlarının eş zamanlı deteksiyonunu (koinsidens), vücudun 3 boyutlu görüntüsünü elde etmek için kullanan bir görüntüleme sistemidir. Bu uygulamada pozitron emisyonu yapan bir radyoizotop (örnek Flor-18) glikoz molekülü ile birleştirilerek hastaya enjekte edilir. 18 F-FDG [ 18 F]-Fluoro-2-Deoxy-Glucose 18 9 F 18 O + 8 1 + 18
PET Uygulaması Nasıl Yapılır Hasta 12 saat önceden tatlı yememesi konusunda uyarılır. Böylece kandaki şeker seviyesi arttırılmamış olur. Çekimden 1 saat önce hastaya belli bir dozda (10-20 mci) 18 F-FDG damar yolu ile verilir. Hasta 45-50 dakika dinlenmeye alınır. Bu sürede 18 F-FDG vücuda yayılarak, kanser olması muhtemel bölgelerde yoğun olarak toplanır (Kanser hücreleri şekeri çok tüketirler, bu yüzden 18 F-FDG burada fazla toplanır. Birde beyinde şeker tüketimi çoktur). Hasta çekimden hemen önce idrara çıkartılarak mesanenin boşaltılması sağlanır. ( 18 F-FDG büyük oranda idrar ile atılır, Biyolojik Yarılanma). Hasta PET cihazına yatırılır, önce Bilgisayarlı Tomografisi çekilir (2 dakika), ardından aynı pozisyon korunarak PET görüntülemesi (20-25 dakika) yapılır. Daha sonra bilgisayar hafızasında depolanan görüntüler üst üste bindirilmek suretiyle (Füzyon) 3 boyutlu PET-BT görüntüleri haline dönüştürülür. 19
PET-BT Cihazı Siemens Biograph- 6 model HI-RES, PET-CT 144 adet blok kristalin 13x13 parçaya bölünmesi ile elde edilen 24336 adet LSO sintilasyon kristalinden oluşmaktadır. (Cihazın arka kısımda). Cihazda, anı zamanda Bilgisayarlı Tomografi ünitesi de bulunmaktadır (Cihazın ön kısımda). 20
8-12 ns PET in çalışma ilkesi-koinsidens Deteksiyonu Yok olma olayı sonucunda oluşan 511 kev iki foton detektör tarafında dedekte edilir. HV Sinyal Amplifier de (A) yükseltilir (10-100 kat) ve Single Channel Analyzer ( SCA) ya gönderilir. PMT A SCA Sinyal A Koinsidens Gelen pulslar, 511 kev e göre +/- % 25 (380-640 kev) lik pencere ile Compton saçılmasından arındırılır. Foton A Foton B Kristal Anhilasyon olayı Koinsidens devresi Sinyaller koinsidens devresine belli bir zaman penceresinde (8-12ns) gelmiş ve belirlenen enerji penceresinde iseler, sistem bu iki sinyali koinsidens olarak algılar ve bilgisayara kaydeder. Kristal PMT A SCA Histogram Hafıza 512x512 Matris Sinyal B Depolanan veriler bilgisayar tarafından 3 boyutlu görüntülere dönüştürülür. 640 kev 380 kev ULD LLD 21
PET Radyoizotopları PET de Yaygın Olarak Kullanılan Bazı Radyoizotoplar ve Özellikleri Radyoizotop Yarı Ömür Maksimum Pozitron Enerjisi (MeV) Dokudaki Erişim Mesafesi Nükleer Reaksiyon Oksijen-15 124 saniye 0.97 7.3 mm 14 N(d,n) 15 O Nitrojen-13 9. 97 dakika 1.19 5.1 mm 16 O(p, a ) 13 N Karbon-11 20.3 dakika 1.73 4.1 mm 14 N(p, a ) 11 C Flor-18 110 dakika 0.64 2.4 mm 18 O(p,n) 18 F Bu radyoizotoplar siklotronda hızlandırılan (10-20 MeV) protonlarla bombardıman edilerek elde edilen yapay radyoizotoplardır. Yarı ömrü açısından en ideal olan 18 F dur. Üretilen yerden hastaneye taşınması mümkündür. Diğerlerini kullanabilmek için hastane yakınına siklotron tesisi kurmak gerekir. 22
PET uygulama Örnekleri Kolon Kanseri PET/BT çekimi BT PET PET+BT PET+BT 23
Siklotronlar
RADYOTERAPİ Radyoloji ve nükleer tıpın aksine, radyoterapide amaç görüntüleme değil tedavidir. Tedavide iyonize edici radyasyonlar kullanılır. İyonize edici radyasyonun hücre öldürme özelliğinden faydalanılarak kontrollü şekilde tümörlü hücrelerin öldürülmesi hedeflenir. Radyoterapide Amaç: Hedef volüme istenilen dozu verirken, kritik organların maksimum düzeyde korunmasıdır. Bu amacın sağlanabilmesi için radyolojik görüntülerden faydalanılır. Özellikle BT görüntüleri bu amaçla kullanılır. BT görüntüleri üzerinde tümör hacimleri işaretlenerek, ışınlanacak bölgeler önceden tespit edilir.
GÖRÜNTÜLEMEDEN RADYOTERAPIYE BT BT+ PET Radyoterapi yapabilmek için öncelikle tümörün yerinin, radyoloji ve nükleer tıp yöntemleri ile kesin olarak tespit edilmesi gereklidir. Bu, tümöre yüksek doz verirken çevredeki sağlam doku ve kritik organların korunması için çok önemlidir. Çünkü radyoterapide uygulanan radyasyon dozları radyoloji ve nükleer tıp uygulamalarına göre çok yüksektir. 26
Radyoterapi Peki nasıl yapılır radyoterapi; Bunun için Mega-Volt (MeV) mertebesinde yüksek enerjili foton ışınlarına ihtiyaç vardır. Çünkü radyolojide ve nükleer tıpta kullanılan Kilo-Volt (KeV) mertebesindeki ışınların gücü tümöre yüksek dozlarda radyasyon vermemize imkan vermez. 1) Tümörün görüntülenmesi ve radyoterapi için tedavinin önceden bilgisayar ortamında simülasyonunun (tedavi planlaması) yapılması gereklidir. Burada ışınlanacak ve korunacak volümler işaretlenir. 2) Bu planın hasta üzerine aktarılması gerekir. 3) Tedavi süresinin hesaplanması gerekir. 4) Hastanın Co-60 yada Medikal Lineer Hızlandırıcıda uygulanması son basamaktır. 27
Radyoterapi Amaçlı Yüksek Enerjili Elektron ve X-ışınlarının Elde Edilişi Radyoterapinin ilk yıllarında, konvansiyonel X -ışını tüpleri ve çeşitli düzeneklerle elde edilen düşük (50-150 kv), orta (150-500 kv) ve süper voltaj (500-1000 kv) enerjili X-ışınları yaygın olarak kullanılmaktaydı. Ancak bu enerjilerdeki X-ışınlarının derine yerleşmiş tümörlerin tedavisinde yetersiz kalması ve Mega-Voltaj seviyelerindeki enerjilerin konvansiyonel X-ışını tüpleri ile elde edilemeyeceğinin anlaşılması üzerine yüksek enerjili X-ışını üretebilecek cihazların tasarımlarına başlandı. Bu amaçla 1930-1950 lerde ilk Lineer elektron hızlandırıcı (LINAC) üretildi. LINAC lar, yüklü parçacıkları (e,p) elektrik ve manyetik alanları kullanarak hızlandıran kompleks cihazlardır. 28
Medikal Lineer Hızlandırıcılar Medikal Lineer Hızlandırıcı İç Dizaynı Radyoterapide kullanılan yüksek enerjili elektron (5-20 MeV) ve Yüksek Enerjili X-ışınları (6-18MV) Medikal Lineer Hızlandırıcılardan Elde Edilir. Medikal LİNAK lar, yaklaşık 1 metre uzunluğunda hızlandırıcı tüpleri olan 30 m 2 hacimlere sığabilen cihazlardır. Hızlandırma tüpü yatay konumda yerleştirilmiştir, bending magnet (eğici magnet) yardımı ile ışınlar düşey düzleme döndürülür. 29
LINAC ın Şematik Gösterimi 30
Medikal LINAC ın Elektron Tabancası Termoiyonik emisyon (ısıtılma ) yolu ile katot dan elde edilen elektron ışınları anot-katot arasına uygulanan yüksek voltaj yardımıyla hızlandırma tüpüne gönderilir. 31
Medikal LINAC ın Elektron Tabancası Ve Hızlandırma Tüpü Elektron Tabancası Hızlandırıcı tüp kesiti Hedef (target) 32
Tedavi Kafası (Gantry) Elektron Modu Foton Modu 33
Radyo-Frekans (RF) Yapılı LINAC Hızlandırma Tüpü Elektron Tabancası 50 kev Eğici Magnet Magnetron Elektron tabancasın da üretilen 50 KeV enerjili elektron ışınları Magnetron da üretilen 3000 megahertz/sn frekanslı mikro dalgaların tepelerine bindirilmek suretiyle MeV mertebesine kadar hızlandırılmaktadırlar. 34
FOTON IŞINLARININ OLUŞUMU e - e - Elektron Işını Demeti Tungsten hedef Primer Kolimatörler Bremsstrahlung ışınları Işın Düzleştirici Filtre Sekonder Kolimatörler Hasta Yüksek Enerjili X-ışınlarının Oluşumu. Hızlandırma tüpünden elde edilen yüksek enerjili elektronlar tungsten hedefe çarptığında Bremsstrahlung ışınları oluşur. Bu ışınlar düzenleyici bir filtreden geçtikten sonra hasta üzerine gönderilir. 35
ELEKTRON IŞINLARININ OLUŞUMU e - Elektron Işını Demeti e - Tungsten hedef e - Primer Kolimatörler Işın Düzleştirici Filtre e - e - e - Saçıcı Foil e - e - Sekonder Kolimatörler e - e - e - Kon veya Trimmer Hasta Yüksek Enerjili Elektron Işınlarının Oluşumu. Hızlandırma tüpünde hızlandırılan elektronlar istenirse tedavide direkt olarak da kullanılabilirler. X-ışını oluşturulmasında kullanılan Tungsten hedef geri çekilir, bunun yerine elektron saçıcı filtre devreye girer. Saçıcı filtre 3 mm çaplı e ışın demetini geniş tedavi alanına yayar. 36
Medikal Proton Hızlandırıcıları Aslında Klasik Radyoterapi Işınları (foton, elektron) RT İçin hiç te ideal değil. İdala Davranışı gösteren ışınlar Proton ışınlarıdır. Şekil 2: Elektronlar (20 MeV),fotonlar (kobalt kaynağı ve 8 Mev lik lineer hızlandırıcılardan gelen) ve 200 MeV lik protonlar için sudaki derinlik-doz eğrileri. Protonlar tek enerjili olduklarından pikleri dar ve yüksektir.
Doz profilleri ve Bragg-peak davranışı