ett hundre strålende år

Ett hundre strålende år...

… en oversikt over medisinsk strålingsfysikk

Medisinsk fysikkMedisinsk fysikk

……handler om å utnytte kunnskap i handler om å utnytte kunnskap i fysikk, til å beskrive biologiske fysikk, til å beskrive biologiske prosesser i mennesket, og å søke å prosesser i mennesket, og å søke å utnytte denne kunnskapen til å utnytte denne kunnskapen til å utvikle diagnostiske og utvikle diagnostiske og terapeutiske metoder….terapeutiske metoder….

Medisinsk fysikkMedisinsk fysikk

Fysikk + Medisin

=“The End of Science”

John Horgan

“The Science”

Medisinsk strålingsfysikkMedisinsk strålingsfysikk Medisinske fysikere arbeider i sykehus (hovedsakelig Medisinske fysikere arbeider i sykehus (hovedsakelig

ved universitets-klinikkene) med kliniske oppgaver ved universitets-klinikkene) med kliniske oppgaver knyttet til:knyttet til:– strålebehandling av kreftpasienterstrålebehandling av kreftpasienter– bildediagnostikk (CT & MR)bildediagnostikk (CT & MR)– nukleærmedisinsk undersøkelse og terapinukleærmedisinsk undersøkelse og terapi– fysiologiske målemetoderfysiologiske målemetoder– … …....

Medisinske fysikere arbeider også med forskning og Medisinske fysikere arbeider også med forskning og utvikling innen de samme områderutvikling innen de samme områder

Medisinske fysikere ansettes også i medisinsk-teknisk Medisinske fysikere ansettes også i medisinsk-teknisk og farmasøytisk industri, konsulentfirmaer og innen og farmasøytisk industri, konsulentfirmaer og innen høyere utdanninghøyere utdanning

Farge Doppler-bilde av blodflow

Medisinsk strålingsfysikkMedisinsk strålingsfysikk

Marie Curie (1867 - 1934) Marie Curie (1867 - 1934)

Henri Becquerel (1852 - 1908)Henri Becquerel (1852 - 1908)

W. C. Røntgen (1845 - 1923)W. C. Røntgen (1845 - 1923)

Kort tid etter oppdagelsen av Kort tid etter oppdagelsen av radioaktivitet og radioaktivitet og røntgenstrålene, ble det klart røntgenstrålene, ble det klart at stråling kunne utnyttes i at stråling kunne utnyttes i terapi og diagnostikk ved terapi og diagnostikk ved patologiske tilstanderpatologiske tilstander

Det Norske Radiumhospital Det Norske Radiumhospital ble etablert i 1932 i den ble etablert i 1932 i den hensikt å ta i bruk Radium i hensikt å ta i bruk Radium i kreftbehandling.kreftbehandling.

Medisinsk strålingsfysikkMedisinsk strålingsfysikk

Aakus & Poppe. Aakus & Poppe. Medisinsk radiologi i Norge Medisinsk radiologi i Norge 19951995

Medisinsk fysikk ble et selvstendig fag gjennom oppdagelsen - og ikke minst gjennom den medisinske utnyttelse - av røntgenstrålene og radioaktivitet

Medisinsk bilde-diagnostikk ved bruk av ioniserende stråling

BildemodaliteterBildemodaliteter

Konvensjonell røntgenKonvensjonell røntgen Computer tomografi (CT)Computer tomografi (CT) RadioisotopavbildingRadioisotopavbilding

– Konvensjonell scintigrafiKonvensjonell scintigrafi– Enkelt foton emisjons computer Enkelt foton emisjons computer

tomografi (SPECT)tomografi (SPECT)– Positron emisjons tomografi (PET)Positron emisjons tomografi (PET)

UltralydUltralyd Magnetisk resonans tomografi (MR)Magnetisk resonans tomografi (MR)

RøntgenstrålingRøntgenstråling

Røntgenstråling dannes når...Røntgenstråling dannes når...– elektroner med høy hastighet bremses (bremsestråling)elektroner med høy hastighet bremses (bremsestråling)– atomelektroner nær kjernen “slås ut” (karakteristisk stråling)atomelektroner nær kjernen “slås ut” (karakteristisk stråling)

Røntgenstråling er elektromagnetisk strålingRøntgenstråling er elektromagnetisk stråling

Halliday Halliday et alet al. . Physics Physics 19921992

RøntgenstrålingRøntgenstråling Røntgenstråling Røntgenstråling

genereres i røntgenrørgenereres i røntgenrør

Shung Shung et alet al. . Principles of medical imagingPrinciples of medical imaging 1992 1992

Attenuasjon i vevAttenuasjon i vev(avtakende intensitet)(avtakende intensitet)

xeII 0

Webb.Webb. The physics of medical imaging The physics of medical imaging 1998 1998

Attenuasjon av strålingi ulike Attenuasjon av strålingi ulike vevvev

Krestel. Krestel. Imaging systemsImaging systems for medical diagnostics for medical diagnostics 19901990

Hva skjer med røntgenfotoner i Hva skjer med røntgenfotoner i vev?vev?

Fotoelektrisk effekt Fotoelektrisk effekt (absorpsjon av foton)(absorpsjon av foton)

Comptonspredning Comptonspredning (spredning av foton)(spredning av foton)

Shung Shung et alet al. . Principles of medical imagingPrinciples of medical imaging 1992 1992

Vekselvirkning ved diagnostikk-Vekselvirkning ved diagnostikk-kavliteterkavliteter

Bløtvev:Bløtvev: Z=7.5Z=7.5 Ben: Ben: Z=13Z=13

Stor Z-avh.Stor Z-avh.

20-150 keV20-150 keV

Attix. Attix. Introduction to radiological physics... Introduction to radiological physics... 19911991

Bildedannelse med Bildedannelse med røntgenrøntgen

Film Ionisasjons-

kammer Fluoriserende

krystaller m. fotomultiplikator (pm) rør

Halvlederteknologi

Shung Shung et alet al. . Principles of medical imagingPrinciples of medical imaging 1992 1992

Røntgenbilde av Røntgenbilde av bekkenbekken

Computer tomografi (CT)Computer tomografi (CT)

””Et meget fascinerende Et meget fascinerende videreutvikling av Røntgenteknikken videreutvikling av Røntgenteknikken stod en britiske elektroingeniør og en stod en britiske elektroingeniør og en fysiker født i Sør-Afrika for. For fysiker født i Sør-Afrika for. For utviklingen av det vi i dag kjenner som utviklingen av det vi i dag kjenner som computer-tomografen, CT, ble Sir computer-tomografen, CT, ble Sir Godfrey Hounsfield og Alan Cormach Godfrey Hounsfield og Alan Cormach tildelt Nobelprisen i 1979, denne tildelt Nobelprisen i 1979, denne gangen i medisin.”gangen i medisin.”

”Fysikkens plass i den moderne medisin”, P2-akademiet, NRK.

Computer tomografi Computer tomografi (CT)(CT)

Krestel. Krestel. Imaging systemsImaging systems for medical diagnostics for medical diagnostics 19901990Siemens AG. Siemens AG. Multislice CTMultislice CT CD-ROM 1998 CD-ROM 1998

TilbakeprojeksjoTilbakeprojeksjonn

I=I1

Detektor 1

I=I2

TilbakeprojeksjonTilbakeprojeksjon

I=I1

Detektor 1

I=I2I=I2

I=I1

Filtrert tilbakeprojeksjonFiltrert tilbakeprojeksjon

Powsner & Powsner. Powsner & Powsner. Nuclear medicine physicsNuclear medicine physics 1998 1998

Radioisotop avbildingRadioisotop avbilding Inntak av radioaktivt stoff - fotonemitterInntak av radioaktivt stoff - fotonemitter Fotonenergi 50-300 keV - Fotonenergi 50-300 keV - 99m99mTc er klassiker (140 keV)Tc er klassiker (140 keV) Selektivt opptakSelektivt opptak Registrerer emitterte fotoner og retningRegistrerer emitterte fotoner og retning

bilde av fordeling av radioaktivitet bilde av fordeling av radioaktivitet

Krestel. Krestel. Imaging systemsImaging systems for medical diagnostics for medical diagnostics 19901990

Konvensjonell scintigrafiKonvensjonell scintigrafi

Powsner & Powsner. Powsner & Powsner. Nuclear medicine physicsNuclear medicine physics 1998 1998

SkjelettscintigrafiSkjelettscintigrafi 99m99mTc kompleksbundet til difosfanat Tc kompleksbundet til difosfanat

avleires i proliferativt knokkelvevavleires i proliferativt knokkelvev Påvise ikke-dislokerte bruddPåvise ikke-dislokerte brudd

Påvise metastaserPåvise metastaser

Rootwelt Rootwelt Nukleærmedisin Nukleærmedisin 19951995

SPECTSPECT Som konvensjonell Som konvensjonell

scintigrafi men registrerer scintigrafi men registrerer emitterte fotoner i mange emitterte fotoner i mange plan rundt pasientenplan rundt pasienten

Filtrert tilbakeprojeksjon gir Filtrert tilbakeprojeksjon gir 3D fordeling av radioaktiv 3D fordeling av radioaktiv isotopisotop

Enkelt foton Enkelt foton emisjons computer emisjons computer tomografitomografi

Powsner & Powsner. Powsner & Powsner. Nuclear medicine physicsNuclear medicine physics 1998 1998

SPECT anvendelseSPECT anvendelse Lungeperfusjonsmåling med Lungeperfusjonsmåling med 99m99mTc bundet til albuminTc bundet til albumin Albumin-Albumin-99m99mTc avsettes i lungekapillæreneTc avsettes i lungekapillærene

SPECT anvendelseSPECT anvendelse

Seppenwoolde Seppenwoolde et al.et al. Int J Radiat Oncol Biol Phys Int J Radiat Oncol Biol Phys 20002000

PETPET pp++ n + e n + e+ + + +

Positron Positron emisjonsemisjonstomografitomografi

Detekterer 511 keV fotoner simultantDetekterer 511 keV fotoner simultant

Powsner & Powsner. Powsner & Powsner. Nuclear medicine physicsNuclear medicine physics 1998 1998Krestel. Krestel. Imaging systemsImaging systems for medical diagnostics for medical diagnostics 19901990

Trenger ikke kollimatorerTrenger ikke kollimatorer Bedre sensitivitet og oppløsning enn SPECTBedre sensitivitet og oppløsning enn SPECT

PETPETPositron Positron emisjonsemisjonstomografitomografi

Karbon, nitrogen, oksygen har eKarbon, nitrogen, oksygen har e++ emitterende isotoperemitterende isotoper

Inngår i biomolekyler - lage eInngår i biomolekyler - lage e++ emitterende biomolekyler emitterende biomolekyler Kort halveringstid: 2-20 min. Kort halveringstid: 2-20 min. syklotron syklotron (NOK 25 mill.)(NOK 25 mill.)

1818F-deoxyglukose (F-deoxyglukose (1818FDG). Halv.tid: 110 min.FDG). Halv.tid: 110 min. Avbilde glukoseopptak i vev - mål for metabolsk aktivitetAvbilde glukoseopptak i vev - mål for metabolsk aktivitet

Hjerneaktivitet målt med Hjerneaktivitet målt med 1818FDGFDG

Shung Shung et alet al. . Principles of medical imagingPrinciples of medical imaging 1992 1992

Tumoravbilding: PET + CTTumoravbilding: PET + CT

Skretting Skretting upublisertupublisert

Stråleterapi ved kreft

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

Stråleterapi Stråleterapi - år 1930- år 1930

Stråleterapi Stråleterapi – år 2000– 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 langs nye veier, Stråleterapi langs nye veier, eller ”paa gjengrodde stier” ?eller ”paa gjengrodde stier” ?

Fysikk i stråleterapiFysikk i stråleterapi

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

pionerene i pionerene i strålingsvitenskapstrålingsvitenskapen observerte og en observerte og erfarte raskt at erfarte raskt at stråling gir stråling gir biologisk virkningbiologisk virkning

dette ga støtet til å dette ga støtet til å søke å utnytte søke å utnytte stråling i stråling i kreftbehandlingkreftbehandling

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

Mer presis definisjon av tumorvolumMer presis definisjon av tumorvolum 3% 3%

Bedret bestrålingsteknikk og utnyttelse Bedret bestrålingsteknikk og utnyttelse

av biologiske modellerav biologiske modeller 4% 4%

Mer optimal stråledose pr. behandling, Mer optimal stråledose pr. behandling,

samlet behandlingstid og total stråledosesamlet behandlingstid og total stråledose 3% 3%

Ny utvikling og nye forskningsresultaterNy utvikling og nye forskningsresultater ? ?

Bedret overlevelseBedret overlevelse >10%>10%

Kilde: Statens beredning för utvärdering av medicinsk metodik, SBU-129/1

Forventet økt 5års-overlevelse

Stråleterapi langs nye veier, Stråleterapi langs nye veier, eller eller

”paa gjengrodde stier” ?”paa gjengrodde stier” ?

Optimalisering av Optimalisering av stråle-terapi, d.v.s. stråle-terapi, d.v.s. lavere lavere senskadefrekvens og senskadefrekvens og økt tumorkontroll, økt tumorkontroll,

søkes gjennomsøkes gjennom::

– Fysikalsk Fysikalsk optimaliseringoptimalisering

– Biologisk Biologisk optimaliseringoptimalisering

Stråledose (Gy)

0 20 40 60 80 100 120

Res

pons

(%

)

0

20

40

60

80

100

normalvev

tumor

Stråledose (Gy)

0 20 40 60 80 100 120

Res

pons

(%

)

0

20

40

60

80

100

normalvev

tumor

Stråledose (Gy)

0 20 40 60 80 100 120

Res

pons

(%

)

0

20

40

60

80

100

normalvev

tumor

Stråledose (Gy)

0 20 40 60 80 100 120

Res

pons

(%

)

0

20

40

60

80

100

normalvev

tumor

Stråledose (Gy)

0 20 40 60 80 100 120

Res

pons

(%

)0

20

40

60

80

100

normal-vev

tumor

Fysikk i stråleterapiFysikk 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 , som igjen er avgjørende for beregning av dosefordeling

Fysikere i stråleterapiFysikere i stråleterapiMedisinske 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 Konformal stråleterapistråleterapi

Friskvevsskade søkes Friskvevsskade søkes redusert gjennom av redusert gjennom av avgrense avsatt dose til avgrense avsatt dose til det volum som skal det volum som skal behandles; dette omtales behandles; dette omtales som konformal terapi.som konformal terapi.

““Conformity index” er et Conformity index” er et mål på hvor vel avgrenset mål på hvor vel avgrenset dose-fordelingen er i dose-fordelingen er i forhold til svulstvevet:forhold til svulstvevet:

CI=CI=VVtargettarget//VVtreatedtreated

Vratget

Vtreated

Konformal stråleterapiKonformal stråleterapi ved IMRTved 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 stråleterapiKonformal stråleterapi ved ved IMRTIMRT

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

Konformal stråleterapiKonformal stråleterapi ved ved IMRTIMRT

Tumor (rødt) om-kranset av strålefelt (grønn).

Strålefelt oppbygd av ulikt antall segmenter og dose-nivåer

Røntgenfilm som viser tilsvarende dosefordelingen i strålefeltet

Konformal stråleterapiKonformal stråleterapi ved ved IMRTIMRT

Seg.1 Seg. 2 Seg.3 Seg.4 Seg.5 Seg.6 Seg.7

Et strålefelt bygges opp av ulike segmenter, hvert med en spesifikk dose

Konformal stråleterapiKonformal stråleterapi ved ved IMRTIMRT

Ulike Ulike segmenter segmenter oppnås ved å oppnås ved å justere justere åpningen mot åpningen mot strålekilden strålekilden under under behandlingbehandling

Total

stråledose

Konformal stråleterapiKonformal stråleterapi ved ved IMRTIMRT

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 stråleterapiKonformal stråleterapi ved ved IMRTIMRT

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

BioART ved IMRTBioART ved IMRT

Histologisk snitt PET-bilde MR-bilde

gjennom tumor

Oksygenrike

områder:

PET- og MR-bilder kan gi informasjon om i hvor stor grad tumor er vel oksygenert, og dermed si noe om tumor strålefølsomhet

BioART ved IMRTBioART ved IMRT

Mean tumor dose (Gy)

0 10 20 30 40 50 60 70 80T

CP

(%

)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

2 Gy for all cellsper fraction

3 Gy for hypoxic cell,1.89 Gy for oxic cellsper fraction

Områder med strålebiologisk “ufordelaktig” karakter-istikk kan gis en tilsiktet økt dose pr. behandling enn øvrig svustvevet.

Økt tumor kontroll ! Stråledose (Gy)

0 20 40 60 80 100 120

Res

pons

(%

)0

20

40

60

80

100

normal-vev

tumor

Målsøkende radioaktive Målsøkende radioaktive forbindelserforbindelser

Det finnes radioaktive forbindelser som Det finnes radioaktive forbindelser som søker seg fram til svulsten, bl. annet søker seg fram til svulsten, bl. annet merkede monoklonale antistoffer mot merkede monoklonale antistoffer mot molekyler på tumorcellenes overflate.molekyler på tumorcellenes overflate.

Fra disse radioisotopene sendes det ut Fra disse radioisotopene sendes det ut stråling som kan drepe kreftcellenestråling som kan drepe kreftcellene

Slik behandling må ofte kombineres Slik behandling må ofte kombineres med ekstern strålebehandling.med ekstern strålebehandling.

Målsøkende radioaktive Målsøkende radioaktive forbindelserforbindelser

Normal og destruert trabekelnettverk i bein

-partikkel-track i tumorvev

Målsøkende radioaktive Målsøkende radioaktive forbindelserforbindelser

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

ProtonterapiProtonterapi Protoner gir maksimal Protoner gir maksimal

doseavsetning i et gitt doseavsetning i et gitt dyp svarende til dyp svarende til Bragg-peak, i Bragg-peak, i motsetning til fotoner motsetning til fotoner hvor dosemaks. ligger hvor dosemaks. ligger nær overflaten.nær overflaten.

Ved å benytte ulike Ved å benytte ulike energier kan området energier kan området som Bragg-peaken som Bragg-peaken dekker gis ønsket dekker gis ønsket dybde.dybde.

Dybdedosefordeling, d.v.s. Doseavsetning som funksjon av dyp i pasienten, for fotonstråling og singel-energi proton-stråling.

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

ProtonterapiProtonterapi

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

Bor-nøytron ”capture” Bor-nøytron ”capture” terapi - BNCTterapi - 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

BNCTBNCT

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.

BNCTBNCT

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.

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