Ett hundre strålende år...

1. Ett hundre strålende år... … en oversikt over medisinsk strålingsfysikk

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

3. Medisinsk fysikk Fysikk + Medisin = “The End of Science” “The Science” John Horgan

4. Medisinsk strålingsfysikk • Medisinske fysikere arbeider i sykehus (hovedsakelig ved universitets-klinikkene) med kliniske oppgaver knyttet til: • strålebehandling av kreftpasienter • bildediagnostikk (CT & MR) • nukleærmedisinsk undersøkelse og terapi • fysiologiske målemetoder • ….. • Medisinske fysikere arbeider også med forskning og utvikling innen de samme områder • Medisinske fysikere ansettes også i medisinsk-teknisk og farmasøytisk industri, konsulentfirmaer og innen høyere utdanning Farge Doppler-bilde av blodflow

5. Medisinsk strålingsfysikk Kort tid etter oppdagelsen av radioaktivitet og røntgenstrålene, ble det klart at stråling kunne utnyttes i terapi og diagnostikk ved patologiske tilstander Det Norske Radiumhospital ble etablert i 1932 i den hensikt å ta i bruk Radium i kreftbehandling. Marie Curie (1867 - 1934) Henri Becquerel (1852 - 1908) W. C. Røntgen (1845 - 1923)

6. Medisinsk strålingsfysikk Medisinsk fysikk ble et selvstendig fag gjennom oppdagelsen - og ikke minst gjennom den medisinske utnyttelse - av røntgenstrålene og radioaktivitet Aakus & Poppe. Medisinsk radiologi i Norge 1995

7. Medisinsk bilde-diagnostikk ved bruk av ioniserende stråling

8. Bildemodaliteter • Konvensjonell røntgen • Computer tomografi (CT) • Radioisotopavbilding • Konvensjonell scintigrafi • Enkelt foton emisjons computer tomografi (SPECT) • Positron emisjons tomografi (PET) • Ultralyd • Magnetisk resonans tomografi (MR)

9. Røntgenstråling er elektromagnetisk stråling Røntgenstråling • Røntgenstråling dannes når... • elektroner med høy hastighet bremses (bremsestråling) • atomelektroner nær kjernen “slås ut” (karakteristisk stråling) Halliday et al. Physics 1992

10. Attenuasjon i vev(avtakende intensitet) Shung et al. Principles of medical imaging 1992 Webb. The physics of medical imaging 1998 Røntgenstråling • Røntgenstråling genereres i røntgenrør

11. Attenuasjon av strålingi ulike vev Krestel. Imaging systemsfor medical diagnostics 1990

12. Fotoelektrisk effekt (absorpsjon av foton) • Comptonspredning (spredning av foton) Hva skjer med røntgenfotoner i vev? Shung et al. Principles of medical imaging 1992

13. Vekselvirkning ved diagnostikk-kavliteter Stor Z-avh. • Bløtvev: Z=7.5 • Ben: Z=13 20-150 keV Attix. Introduction to radiological physics... 1991

14. Bildedannelse med røntgen • Film • Ionisasjons-kammer • Fluoriserende krystaller m. fotomultiplikator (pm) rør • Halvlederteknologi Shung et al. Principles of medical imaging 1992

15. Røntgenbilde av bekken

16. Computer tomografi (CT) ”Et meget fascinerende videreutvikling av Røntgenteknikken stod en britiske elektroingeniør og en fysiker født i Sør-Afrika for. For utviklingen av det vi i dag kjenner som computer-tomografen, CT, ble Sir Godfrey Hounsfield og Alan Cormach tildelt Nobelprisen i 1979, denne gangen i medisin.” ”Fysikkens plass i den moderne medisin”, P2-akademiet, NRK.

17. Computer tomografi (CT) Krestel. Imaging systemsfor medical diagnostics 1990 Siemens AG. Multislice CT CD-ROM 1998

18. Tilbakeprojeksjon I=I2 I=I1 Detektor 1

19. Tilbakeprojeksjon I=I2 I=I2 I=I1 I=I1 Detektor 1

20. Filtrert tilbakeprojeksjon Powsner & Powsner. Nuclear medicine physics 1998

21. Radioisotop avbilding • Inntak av radioaktivt stoff - fotonemitter • Fotonenergi 50-300 keV - 99mTc er klassiker (140 keV) • Selektivt opptak • Registrerer emitterte fotoner og retning bilde av fordeling av radioaktivitet Krestel. Imaging systemsfor medical diagnostics 1990

22. Konvensjonell scintigrafi Powsner & Powsner. Nuclear medicine physics 1998

23. Skjelettscintigrafi • 99mTc kompleksbundet til difosfanat avleires i proliferativt knokkelvev • Påvise ikke-dislokerte brudd • Påvise metastaser Rootwelt Nukleærmedisin 1995

24. Som konvensjonell scintigrafi men registrerer emitterte fotoner i mange plan rundt pasienten • Filtrert tilbakeprojeksjon gir 3D fordeling av radioaktiv isotop Enkelt foton emisjons computer tomografi SPECT Powsner & Powsner. Nuclear medicine physics 1998

25. SPECT anvendelse • Lungeperfusjonsmåling med 99mTc bundet til albumin • Albumin-99mTc avsettes i lungekapillærene

26. SPECT anvendelse Seppenwoolde et al.Int J Radiat Oncol Biol Phys 2000

27. p+ n + e+ +  PET Positron emisjonstomografi • Detekterer 511 keV fotoner simultant • Trenger ikke kollimatorer • Bedre sensitivitet og oppløsning enn SPECT Powsner & Powsner. Nuclear medicine physics 1998 Krestel. Imaging systemsfor medical diagnostics 1990

28. PET Positron emisjonstomografi • Karbon, nitrogen, oksygen har e+emitterende isotoper • Inngår i biomolekyler - lage e+ emitterende biomolekyler • Kort halveringstid: 2-20 min.  syklotron (NOK 25 mill.) • 18F-deoxyglukose (18FDG). Halv.tid: 110 min. • Avbilde glukoseopptak i vev - mål for metabolsk aktivitet

29. Hjerneaktivitet målt med 18FDG Shung et al. Principles of medical imaging 1992

30. Tumoravbilding: PET + CT Skretting upublisert

31. Stråleterapi ved kreft

32. Stråleterapi langs nye veier, eller ”paa gjengrodde stier” ? Stråleterapi - år 1930 Stråleterapi – 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

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

34. Fysikk i stråleterapi

35. Stråleterapi langs nye veier, eller ”paa gjengrodde stier” ? • pionerene i strålingsvitenskapen observerte og erfarte raskt at stråling gir biologisk virkning • dette ga støtet til å søke å utnytte stråling i kreftbehandling

36. Stråleterapi langs nye veier, eller ”paa gjengrodde stier” ? Forventet økt 5års-overlevelse Mer presis definisjon av tumorvolum 3% Bedret bestrålingsteknikk og utnyttelse av biologiske modeller 4% Mer optimal stråledose pr. behandling, samlet behandlingstid og total stråledose 3% Ny utvikling og nye forskningsresultater ? Bedret overlevelse >10% Kilde: Statens beredning för utvärdering av medicinsk metodik, SBU-129/1

37. Stråleterapi langs nye veier, eller ”paa gjengrodde stier” ? Optimalisering av stråle-terapi, d.v.s. lavere senskadefrekvens og økt tumorkontroll, søkes gjennom: • Fysikalsk optimalisering • Biologisk optimalisering

38. Fysikk 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 m, som igjen er avgjørende for beregning av dosefordeling

39. Fysikere i stråleterapi Medisinske 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

40. Konformal stråleterapi • Friskvevsskade søkes redusert gjennom av avgrense avsatt dose til det volum som skal behandles; dette omtales som konformal terapi. • “Conformity index” er et mål på hvor vel avgrenset dose-fordelingen er i forhold til svulstvevet: CI=Vtarget/Vtreated Vratget Vtreated

41. Konformal stråleterapi ved 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.

42. Konformal stråleterapi ved IMRT Område som ønskes bestrålt - d.v.s tumor (rødt), område som ikke ønsker bestrålt, d.v.s ryggmarg (blått).

43. Konformal stråleterapi ved IMRT Strålefelt oppbygd av ulikt antall segmenter og dose-nivåer Røntgenfilm som viser tilsvarende dosefordelingen i strålefeltet Tumor (rødt) om-kranset av strålefelt (grønn).

44. Seg.1 Seg. 2 Seg.4 Seg.5 Seg.6 Seg.7 Seg.3 Konformal stråleterapi ved IMRT Et strålefelt bygges opp av ulike segmenter, hvert med en spesifikk dose

45. Konformal stråleterapi ved IMRT Ulike segmenter oppnås ved å justere åpningen mot strålekilden under behandling Total stråledose

46. Konformal stråleterapi ved IMRT 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.

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

48. BioART ved IMRT Histologisk snitt PET-bilde MR-bilde gjennom tumor PET- og MR-bilder kan gi informasjon om i hvor stor grad tumor er vel oksygenert, og dermed si noe om tumor strålefølsomhet Oksygenrike områder:

49. BioART ved IMRT Områder med strålebiologisk “ufordelaktig” karakter-istikk kan gis en tilsiktet økt dose pr. behandling enn øvrig svustvevet. Økt tumor kontroll !

50. Målsøkende radioaktive forbindelser • Det finnes radioaktive forbindelser som søker seg fram til svulsten, bl. annet merkede monoklonale antistoffer mot molekyler på tumorcellenes overflate. • Fra disse radioisotopene sendes det ut stråling som kan drepe kreftcellene • Slik behandling må ofte kombineres med ekstern strålebehandling.