RADIOLOGICKÁ FYZIKA

Nukleární medicína je lékařský obor, který využívá aplikace radionuklidů do těla pacienta k diagnostice a/nebo terapii. Pacientovi je (injekcí, inhalací nebo ingescí) aplikováno radiofarmakum (obsahující radionuklid), které se podle své chemické formy v těle pacienta distr ibuuje. Radiofarmakum je vybíráno s ohledem na dané vyšetření a potřebu distribuce látky v těle pacienta, výkon se provádí za účelem např. zobrazení prokrvení plicní tkáně, funkce ledvin, kostní přestavby, terapie štítné žlázy, aj. Radionuklidy navázané na radiofarmaka jsou voleny zejména s ohledem na jejich poločas přeměny, energii a typ emitovaných částic, ve všech případech se přitom jedná o tzv. otevřené zářiče.Diagnostika v nukleární medicíně slouží k zobrazení funkce tkáně nebo orgánu. Používané radionuklidy jsou γ-zářiče, popř. radionuklidy

+podstupující β přeměnu. Po aplikaci a distribuci radiofarmaka v těle pacienta je pomocí speciálních přístrojů vně pacienta detekováno záření gama vycházející z pacienta a mající původ v radioaktivní přeměně radionuklidu (navázaného na radiofarmakum), popř. v dalších interakčních procesech v těle pacienta.Terapie v nukleární medicíně je v principu „likvidací nádorových buněk zevnitř

nádoru“. Radiofarmakum je vždy tedy voleno tak, aby se selektivně vychytávalo a akumulovalo v terapeutickém cílovém orgánu/tkáni. Na radiofarmaka navázané radionuklidy

-jsou povětšinou β aktivní, tj. emitující elektrony (méně častěji je terapie Augerovými elektrony, e l e k t r o n y z v n i t ř n í konverze nebo a l fa částicemi). Elektrony (popř. alfa částice) mají v tkáni krátký dosah ( řádově mi l ime t ry ) , depozicí energie v tkáni tak primárně ničí nádorové buňky cílového objemu a ne okolní zdravou tkáň.

Skiagrafické přístrojeJedná se o rentgenové přístroje, ze kterých se obdrží prostý sumační snímek pacienta. Drtivá většina těchto přístrojů je vybavena digitálními receptory obrazu (CR folie, flat panel detektor), které nahradily systémy s analogovými receptory (kazety se zesilující fólií a rentgenovým filmem). Digitalizace receptorů obecně přispěla ke snížení počtu opakovaní snímků způsobenému špatnou expozicí nebo nepovedeném vyvolání snímku, a současně umožnila další a jednodušší možnosti zpracování obrazu jako je např. dual energy subtraction. Skiagrafické přístroje se obecně dělí na pojízdné (lze s nimi např. snímkovat pacienty na nemocničním lůžku) a na stacionární. Speciálním případem zařízení v rámci skiagrafie jsou mamografy, které slouží k vyšetření prsu. Jsou využívány i v mamografickém screeningu k případnému odhalení raného stádia nádoru v mléčné žláze. Vzhledem k vysoké radiosenzitivitě prsní tkáně jsou zde kladeny i větší požadavky na optimalizaci celého zobrazovacího procesu.

Výpočetní tomografie (CT)N e d o s t a t k y k o n v e n č n í h o (skiagrafického/skiaskopického) rentgenového přístroje spočívají v tom, že jednotlivé orgány jsou zobrazeny sumárně, překrývají se. V principu tedy není možné jednoznačně určit hloubku uložení dané tkáně či orgánu, nelze vytvořit „anatomický řez“ těla. Výpočetní tomografy slouží k zobrazení transverzálních rovin v t ě l e p a c i e n t a . O b r a z u transverzální roviny je dosaženo rekonstrukcí projekcí (tj. vlastně sumačních snímků) z různých směrů. Výpočetní tomografy jsou realizovány pomocí dvou konstrukčních principů, a to pomocí konstrukce vějířové, nebo kruhové. U vějířového přístroje se otáčí jak rentgenka, tak

detektorová soustava. U kruhového přístroje se otáčí pouze rentgenka a detektory jsou umístěné po celém obvodu přístroje, tj. v celém kruhu. V praxi se používá téměř výhradně konstrukce v ě j í ř o v é , d ů v o d e m j e , ž e d í k y kol imátorovým lamelám na straně detektorů je možné zamezit/omezit dopad a detekci nežádoucího, rozptýleného záření (a tak produkci falešného signálu). Až do počátku devadesátých let 20. stolení byla pro snímkování používána tzv. rotační metoda, kdy bylo se vždy provedeno jedno otočení celé soustavy rentgenka-detektory, lehátko s pacientem bylo posunuto v axiálním směru, a snímání se

opakovalo. Vzhledem k délce vyšetření a pohybům pacienta, docházelo ke značnému rozmazání výsledného obrazu. V současnosti jsou přístroje konstruovány pro snímání helikální metodou, kdy se lůžko s pacientem pohybuje rovnoměrným posuvným pohybem za současné rotace soustavy r e n t g e n k a -d e t e k t o r y . V poslední době se do klinické praxe instalují i tzv. dual energy CT přístroje, které pro zobrazení tkáně využívají dvě r ů z n é e n e r g i e r e n t g e n o v é h o zá řen í . P r inc ip i m p l e m e n t a c e „dvou energií“ se liší od výrobce (použití dvou rentgenových p ř í s t r o j ů , e n e r g e t i c k á diskriminace na de tek to ru , k V p switching).

více informací o bakalářském studijním oboru Radiologická technika i navazujícím magisterském studijním oboru Radiologická fyzika naleznete na kdaiz.fjfi.cvut.cz

RENTGENOVÉ PŘÍSTROJE A METODY ZOBRAZENÍ

Terapie otevřenými zářiči je využívána pro selektivní ozáření nádorové či jiné tkáně s cílem jejího poškození či úplné destrukce, okolní struktury by přitom měly být léčbou ovlivněny minimálně. Terapie využívá účinku záření k narušení struktury dvoušroubovice DNA a zabránění dalšímu buněčnému dělení. Nejčastějším výkonem je terapie onemocnění štítné žlázy (např. hyperthyreóza

131nebo rakoviny štítné žlázy) radiojódem I (T = 8 dní), dále krevní onemocnění 1/2

nebo onemocněních kloubů. Podobně jako u externí radioterapie, i u radionuklidové terapie se patřičného účinku dosahuje koprodukcí dvou základních faktorů: fyzikálních a (radio-)biologických. Mezi fyzikální faktory patří druh radionuklidu, druh emitovaného záření a jeho energie, poločas přeměny radionuklidu. Do biologických faktorů lze zařadit míru radiosenzitivity patologických buněk ve srovnání s buňkami zdravých tkání a orgánů a / n e b o f a r m a k o k i n e t i k u terapeutických radiofarmak (jejich vychytávání v cílových tkáních a v ostatních tkáních). Základním požadavkem na radiofakmaka je vysoká akumulace v cílových tkáních a nízká akumulace ve z d r a v ý c h t k á n í c h , p ř i t o m farmakokinetiku terapeutických radiofarmak lze do určité míry ovlivnit i farmakologicky.

Radioterapie je fyzikálně-medicínský obor využívající biologické účinky ionizujícího záření pro léčebné účely. Ve velké většině se jedná o terapii nádorových onemocnění – radiační onkologie, v menší míře se pomocí záření léčí i některá degenerativní a zánětlivá postižení. Cílem nádorové terapie je zničení nádorových buněk doručením dostatečně vysoké dávky ionizujícího záření do cílového objemu při současném co nejmenším ozáření a poškození okolní zdravé tkáně. Z jiného úhlu pohledu lze

radioterapii rozdělit na terapii externími svazky a brachyterapii. Při externí radioterapii rotuje hlavice ozařovače kolem pacienta a pacient je tak ozařován z různých úhlů. Brachyterapie spočívá v zavedení uzavřeného (většinou radionuklidového) zdroje přímo do cílového objemu nebo do jeho těsné blízkosti. I když terapie otevřenými zářiči by mohla být nazvána také „nejtěsnější možná brachyterapie“, je vzhledem k charakteru aplikace řazena do sekce nukleární medicíny.

RADIOTERAPIE

PŘÍSTROJE A ZAŘÍZENÍ V RADIOTERAPII

Cyberknife Jedná se o přístroj s flexibilním počítačově ovládaným robotickým ramenem s šesti stupni volnosti. Na rameni je umístěn malý lineární urychlovač. Vzhledem k nutnosti průběžné kontroly polohy cílového terapeutického objemu je průběh ozařování pod neustálou kontrolou podpůrných systémů – rentgenových přístrojů a k nim příslušejících detektorů nebo speciálních, např. dýchacích sond – s pomocí kterých systém provede automatickou kompenzaci směru a kolimace svazku. Použití tohoto přístroje je zejména pro léčbu v extrakraniální oblasti.

Leksellův gamma nůžPrincip ozařování v kraniální oblasti pacienta je založen na fokusovaném gama záření z velkého počtu radioaktivních zdrojů.

TMU nejnovější verze Perfexion se jedná

60o 192 zdrojů Co s kolimátory průměru 4, 8, resp. 16 mm. Zdroje jsou umístěny v kónické geometrii, systém kolimátorů potom v 8 nezávislých sektorech. Přesné geometrické zacílení a definice souřadného systému, resp. pevná fixace hlavy je realizována stereotaktických rámem připevněného na hlavu pacienta pomocí čtyř fixačních šroubů (v lokální anestézii).

TomoterapieSystém tomoterapie kombinuje principy terapeutického lineárního urychlovače a helikálního CT. Metoda umožňuje ozařování dlouhých nádorů (až cca 150 cm) bez nutnosti napojování ozařovacích polí a s tím i spojených nevýhod (nehomogenita dávky, nedozáření/přezáření na hranici polí, časová ztráta). I přístroj pro tomoterapii může být vybaven kolimátorem MLC, který umožňuje ozařování s modulovanou intenzitou svazku, a to v „Helical mode“, popř. i rychlejším „Direct mode“. Tomoterapeutický přístroj má

nižší požadavky na stínění ozařovny, díky „gantry konstrukci“ je totiž naproti zdroji záření trvale přítomen beamstopper.

Protonová terapie Ozařování cílového objemu je rea l i zováno svazkem protonů, jejichž hloubková dávková distribuce v tkáni je diametrálně odlišná od distribuce fotonového svazku. Na rozdíl od fotonového svazku se většina energie protonového svazku deponuje v přesně definované hloubce (závislé na energii primárních protonů). Tato fyzikální

vlastnost interakce protonů v látce vede k tomu, že za cílovým objemem (z pohledu svazku) nebude v tkáni deponována „žádná“ dávka, v těchto místech tedy hrozí minimální poškození zdravé tkáně. Z tohoto důvodu je pak možné k ozáření pacienta použít méně ozařovacích polí než v případě fotonové radioterapie a zároveň dosáhnout stejné homogenity ozáření cílového objemu za současného většího šetření okolní zdravé tkáně. K urychlení protonů je nejčastěji využíván urychlovač typu cyklotron, k samotnému dodání dávky protonovým svazkem do cílového objemu je používáno několik typů ozařovacích hlavic, které jsou konstruovány s ohledem na použití v různých ozařovacích módech – Single/Double scattering, Uniform scanning, popř. nejmodernější tzv. Pencil beam scanning (dostupný i v pražském Proton Therapy Center Czech s.r.o.).

V externí radioterapii se nejčastěji k produkci ionizujícího záření využívá lineární urychlovač (LINAC). V urychlovači jsou na elektromagnetických mikrovlnách urychlovány elektrony, které jsou buď přímo použity k léčbě (v případě povrchových cílových objemů) nebo jsou využity k produkci brzdného (a částečně i charakteristického) rentgenového záření využívaného dále k samotné léčbě. K vymezení profilu svazku (odpovídající profilu cílového objemu z daného směru ozařování) je používán MLC, tj. vícelamelový kolimátor.V brachyterapii se k ozařování nejčastěji používají záření z přeměny

192uzavřeného radionuklidového zdroje Ir. Zdroje jsou do místa ozařování zavedeny afterloadingových systémem prostřednictvím aplikátorů (umístěných do ozařovacích poloh bez přítomnosti zdroje). Tímto postupem je zaručena menší radiační zátěž lékařů a efektivnější rozmístění zdrojů při samotném ozařování.V nenádorové radioterapii se k ozařování např. artróz kolenních kloubů, patních ostruh a tenisových loktů používá terapeutický rentgenový ozařovač. V menší míře se k ozařování používají také radionuklidové ozařovače, zejména

60s radionuklidovým zdrojem Co.

Zobrazovací metoda nukleární medicíny je nazývána scintigrafie. Název je odvozen od scintilačního detektoru, ve kterém absorpce fotonů záření gama vyvolává světelné záblesky, scintilace, které jsou dále elektronicky zpracovány a v y h o d n o c e n y . V ý s l e d n é scintigrafické snímky zobrazují mapy roz ložen í rad io fa rmak v organismu. Statická scintigrafie zobrazuje rozložení radiofarmaka ve tkán i , dynamická sc in t igrafie zachycuje jeho změny v čase. Diagnostické modality nukleární medicíny se v klinické praxi využívají pro vyšetření funkce (např. prokrvení, metabolická aktivita) srdečního svalu, plicních laloků, mozku, ledvin, dále

pomáhají v lokalizaci zánětů či nádorů. Diagnostické přístroje nukleární medicíny je možno rozdělit do dvou kategorií – planární scintigrafie + SPECT a PET. Některé přístroje na klinických odděleních jsou tzv. hybr idní , tj. kombinující funkční tomografické vyšetření (SPECT, popř. PET) se z o b r a z e n í m anatomických struktur (CT, popř. MRI).

Planární scintigrafie, SPECTVýsledkem planární scintigrafie je dvourozměrný obraz distribuce radiofarmaka, tomografickou variantou planární scintigrafie je SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography), tj. zobrazovací metoda umožňující s pomocí několika dvourozměrných obrazů (nasnímaných z různých úhlů pohledu na vyšetřovanou oblast) matematickou rekonstrukcí získat trojrozměrný obraz distribuce radiofarmaka. Přístroje, tzv. gamakamery, používané pro planární scintigrafii (popř. SPECT), jsou konstruovány s ohledem na detekci γ-záření e m i t o v a n é h o z r a d i o n u k l i d u v á z a n é h o v aplikovaném radiofarmaku. Nejčastěji používaných

99mradionuklidem je Tc (T = 6 hodin), jako detekční 1/2

element je ve většině případů používán NaI:Tl s předsazeným olověným kolimátorem (s různou velikostí otvorů a jejich orientací – např. paralelní vs. neparalelní). Některé speciální gamakamery jsou osazeny detektory polovodičovými.

PETPřístroje zobrazovací modality PET (Positron Emission Tomography) naopak obsahují několik stovek menších detekčních elementů (aktivní plocha

2několik mm ) v kruhového uspořádání. Při vyšetření +na modalitě PET je pacientovi aplikováno β aktivní

18radiofarmakum – nejčastěji s navázaným F (T = 110 1/2

minut) – tj. radionuklidem emitující pozitrony, které v místě blízkého r a d i o a k t i v n í p ř e m ě n ě a n i h i l u j í s elektronem za vzniku (nejčastěji) dvou γ-fotonů rozlétajících se po opačných polopřímkách. Anihilační záření γ je následně detekováno vně těla pacienta na protilehlých detekčních elementech. Matematickou rekonstrukcí lze získat d i s t r i b u c i r a d i o n u k l i d u , t e d y i rad io fa rmaka v tě le pac ien ta a v porovnání s obrazem zdravého jedince lze (podobně jako u planární scintigrafie, resp. SPECT) usoudit na případné funkční anomálie.

SPECIÁLNÍ TECHNIKY RADIOTERAPIE

NUKLEÁRNÍ MEDICÍNA

Dentální technika Rozlišujeme intraorální rentgenové přístroje, které zhotovují snímky

jednotl ivých zubů a panoramatické rentgeny, které pomocí pohybující se štěrbiny zhotoví rentgen celé čelisti.

Skiaskopické přístrojeTyto rentgenové přístroje jsou používány k zobrazení dynamických procesů, např. ke sledování pohybu jehly při obstřiku páteře, nebo na sledování pohybu katetru. Jako detektory se používají zesilovače obrazu či flat panel detektory. Dnešní legislativa zakazuje dříve hojně používaného skiaskopického štítu (velká radiační zátěž pro pacienta i personálu). Výstup z detektoru je směřován na monitory, záznamy z výkonů mohou být pro pozdější odborný lékařský popis uk ládány. I v té to ka tegor i i j sou používány přístroje pojízdné nebo stacionární.

Rentgenová diagnostika je lékařský obor, který využívá ionizující záření (tzv. rentgenové záření) k zjištění nových chorobných změn v lidském těle, ke sledování těchto změn v průběhu času či jako pomůcku při léčbě. V této specifické oblasti radiologie se využívá brzdného a charakteristického záření vycházejícího z elektronky zvané „rentgenka“, tj. skleněné vakuované trubice, kde jsou mezi katodou a anodou vysokým napětím urychlovány elektrony. Dopadem elektronů na anodu je produkováno rentgenové záření. Konverze elektrické energie na energii záření je z hlediska přírodních zákonů velmi neefektivní (max. jednotky procent), z větší části je produkováno teplo, které je nutné odvést z důvodu zabránění přehřátí anody mimo rentgenku. Produkované rentgenové záření může dále prostupovat přes různé (nejčastěji hliníkové nebo měděné) filtry, které slouží k odstínění zejména nízkoenergetických složek rentgenového spektra. Fotony rentgenového záření jsou při průchodu tělem pacienta absorbovány či rozptýleny, čímž jsou odstraněny z primárního svazku. Fotony prošlé bez interakce dopadnou na detektor obrazu, kde je vytvořen sumační snímek zobrazované oblasti. Detektorem může být např. film, CR folie, zesilovač obrazu, flat panel detektor. Snímek prosvícený negatoskopem nebo přenesený na monitor je následně popsán lékařem. Výsledný obraz na detektoru je závislý na rozdílném zeslabení svazku fotonů různou tkání (v závislosti na její tloušťce, hustotě či atomovém čísle).

RENTGENOVÁ DIAGNOSTIKA

Rentgenka uvnitř skleněné baňky je rotační anoda (vpravo) a katoda – (vlevo). Jedná se o velmi staré zařízení Coolidgeova typu.

PŘÍSTROJOVÁ TECHNIKA V DIAGNOSTICKÝCH METODÁCH

TERAPEUTICKÉ PRINCIPY

Ukázka metody dual energy subtraction, při které se pacient exponuje dvakrát, pokaždé s jiným nastaveným napětím na rentgence. Následným počítačovým zpracováním snímků lze na obrazu potlačit zobrazení určité tkáně. Na levém snímku je klasický rentgen pacienta, uprostřed snímek s potlačením zobrazení kostní tkáně, vpravo snímek s potlačením zobrazení měkké tkáně.

Mamograf – lékařské diagnostické zařízení sloužící k diagnostice a prevenci nádorových onemocnění v ženském prsu.

Výpočetní tomograf (CT)

Skiaskop – operační C-rameno. Využití tohoto přístroje je zejména v ortopedii a u neurochirurgických zákroků.

Přístroj s magnetickou navigací katetru zařízení se – využívá v intervenční kardiologii pro robotizačně-navigovanou katetrizaci, elektro-anatomické mapování srdce nebo katetrizační ablaci. Princip spočívá v umístění dvou vnějších magnetů poskytují navigační pole indukce cca 1 T v každém směru. Katetr s malým magnetickým hrotem může být veden vodicím drátem a vnějším magnetickým polem do požadované pozice, po celou dobu je vše kontrolováno lékařem z ovladovny pomocí digitálně řízené stanice s rentgenovým přístrojem.

Výpočetní tomograf (CT) – využití v diagnostice širokého spektra poranění a chorob, rychlá indikace vnitřního poranění nebo zlomenin.

Terapeutický rentgenový ozařovač – léčba zářením neodstraňuje příčinu, ale spočívá v omezení bolestivosti (tj. jedná se o paliativní léčbu), účinek je obvykle rychlý a přetrvává relativně dlouhou dobu.

Brachyterapeutický ozařovač

®GAMMAMED 12i s 24 aplikačními

192trasami pro Ir zdroj.

Lineární urychlovač s instalovaným portálových detektorem EPID (Electronic Portal Image Device) a OBI (On-Board Imaging) systémem.

Vizualizace léčebných svazků při ozařování přístrojem Cyberknife v oblasti páteře.

Robotický ozařovač Cyberknife ve Fakultní nemocnici Ostrava.

Stereotaktický rám (vlevo) s nasazeným souřadnicovým indikátorem (vpravo) k pevné fixaci hlavy a definici souřadného systému jak při diagnostice před ozářením (MRI, CT, PET), tak při samotném terapeutickém výkonu.

TMLekselův gama nůž – model Perfexion .

Fotografie ozařovače tomoterapie s ilustrací lineárního urychlovače a beamstoperu.

Porovnání hloubkových dávkových křivek různých typů a energií záření.

Ozařovna s gantry systémem v Proton Therapy Center Czech s.r.o.

Plán tomoterapeutického ozáření kranispinální osy u akutní lymfoblastické leukémie.

Scintigramy AP a PA projekce pacienta s rakovinou prostaty s metastázemi do kostí – před (vlevo) a po (vpravo) léčbě.

Scintigram z vyšetření oblasti krku 131po terapeuticeké aplikaci I

s viditelnou aktivitou ve štítné žláze.

Hybridní SPECT/CT přístroj s dvěma NaI:Tl detektory pro scintigrafické vyšetření.

Pomocí PET/CT vyšetření je možné diagnostikovat i např. Parkinsonovu chorobu – tomografické obrazy mozkem zdravého pacienta (horní řada) vs. pacienta s raným stádiem Parkinsonovi choroby (spodní řada).

Tomografický obraz z PET vyšetření zobrazující funkci tkání a orgánů (vlevo), z CT vyšetření zobrazující anatomické struktury uvnitř těla (vpravo) a fúze těchto obrazů (uprostřed).

Hybridní přístroj umožňující vyšetření PET a CT v jedné poloze pacienta.

Série obrazů z dynamické scintigrafie perfúze srdečního svalu.

Planární scintigrafie kolen s viditelnou metastázou v kloubním pouzdře.

Transverzální řez SPECT/CT vyšetření pánevní oblasti s aktivitou v močovém měchýři a na trochanter major levého femuru.

Gamakamera s polovodičovými detektory Spectrum Dynamics D-SPECT určená pro tomografické vyšetření srdečního svalu.