Parçacık Hızlandırıcılarının Medikal Uygulamaları 2

Parçacık Hızlandırıcılarının
Medikal Uygulamaları 2
Doç.Dr. Bahar DİRİCAN
GATA Radyasyon Onkolojisi AD.
09.06.2005
Parçacık Hızlandırıcıları
„
„
„
„
„
Van de Graff Jeneratörleri
Lineer Hızlandırıcılar
Betatron
Mikrotron
Siklotron
Van de Graff Jeneratörleri
„
„
„
İlk defa 1931 yılında imal edilmiştir
Yüklü parçacıkları elektrostatik olarak
hızlandırmak için dizayn edilmişlerdir
2 MV enerjili X-ışını üretirler
Lineer Hızlandırıcılar
„
„
„
1925‘te Ising ilk lineer hızlandırıcıyı
önerdi
İsveç’li fizikçi Wideröe bu düşünceyi
genişletti
1928’de Civa iyonlarının radyofrekansı
Rf voltajı ile hızlandırılmasıyla çalışan ilk
lineer hızlandırıcıyı dizayn etti
Lineer Hızlandırıcılar
„
„
„
Lawrence ve Livingston 1932’de ilk
çalışan Siklotronu inşa ettiler
1940 yılından sonra yüksek frekanslı çok
kısa dalga boylu (mikrodalga)
osilatörler geliştirildi
1941’de Kerst ilk başarılı betatronu inşa
etti
Lineer Hızlandırıcılar
„
„
İlk medikal lineer hızlandırıcı 1952’de
Londra’da Hammersmith hastanesinde
kuruldu
Bu cihazla ilk tedavi 1953’de 8 MV’ luk
X-ışınlarıyla yapılmıştır
Lineer Hızlandırıcılar
Çok enerjili X-ışını ve elektronları üreten
bilgisayar kontrollü cihazlardır
„ Bremsstrahlug X-ışını spektrumu bir
maksimum enerjiye Emax (hızlandırıcı
potansiyeli) sahiptir
„ Ortalama X-ışını enerjisi yaklaşık olarak
1/3 Emax ‘dır
„
Lineer Hızlandırıcılar
„
„
„
„
Genellikle foton enerjileri 2 kademelidir
(örn. 6 ve 25 MV)
1 ve 3 kademeli olanları da vardır
Elektron enerjileri genellikle 5
kademelidir
elektron enerjileri 9 kademeye kadar
(örn. 4,6,8,10,12,15,18,20,22 MeV)
olabilir
Lineer Hızlandırıcılar
Lineer Hızlandırıcılar
Lineer Hızlandırıcılar
Lineer Hızlandırıcılar
„
„
„
„
Güç kaynağı modülatöre DC akım sağlar
Modülatör içinde bulunan Thyratron lambaları
aracılıyla şebekeye pulse’lı akım sağlar
Elektron tabancasından elde edilen elektronlar
50 keV’luk enerji ile hızlandırıcı tüp içine
gönderilir
Hızlandırıcı tüpler genellikle Bakır’dan
yapılmıştır
Mikrodalga Kaviteleri ve Klaystron
Magnetron
Magnetron
Klaystron Kesiti
Lineer Hızlandırıcılar
„
„
„
Klaystron ya da magnetrondan elde
edilen 3000 MHz’ lik elektromagnetik
dalgalar hızlandırıcı tüp içine gönderilir
Elektronlar enerji kazanmak ve
hızlandırılmak için emd üzerine bindirilir
Emd’ların hızı elektronlardan fazla
olduğu için tüp içindeki dairesel diskler
ile azaltılır
Lineer Hızlandırıcılar
„
„
„
„
Disklerin boyutları ve aralarındaki uzaklık
dalganın hızına göre belirlenir
Elektronlar sinüsoidal elektrik alanıyla
denizdeki bir sörfçünün dalgadan enerji
kazanmasına benzer şekilde hızlanırlar
Kazandıkları enerji 5 MeV/m ‘dir
Daha küçük boyutlu cihazlar yapmak için
90° veya 270° saptırıcı (bending)
magnetler kullanılır
270° saptırıcı magnetler
Lineer Hızlandırıcıdaki yardımcı
sistemler
„
„
„
„
Sıcaklığı düzenlemek için bir soğutma sistemi
Dalga klavuzunda vakum oluşturmak için bir
iyon pompası sistemi
Pnömatik sürücüler için bir basınç sistemi
İletici dalga klavuzunun dielektrik
dayanıklılığını artırmak için bir gaz sistemi
Hızlandırıcı Dalga Kılavuzları
„
„
Hareketli dalga kılavuzu
Duran dalga kılavuzu
Hareketli dalga kılavuzu
„
„
„
Mikrodalga gücü
elektron tabancasının
bulunduğu uçtan verilir
Hızlandırıcı tüpün
sonunda kalan
mikrodalga enerjisini
soğuran dummy yük
vardır
Bu yük dalgaların geriye
yansımasına engel olur
Hareketli dalga kılavuzu
Duran dalga kılavuzu
„
„
Dalga kılavuzu
sonunda mikrodalga
gücü soğurulmaz,
kılavuza doğru geri
yansıtılır
Mikrodalga güç
direnci elektronların
elektron
tabancasından
girdiği uçtadır
Duran dalga kılavuzu
Bir tam mikrodalga
periyodu için duran
dalga elektrik alanları
Lineer Hızlandırıcı Tedavi Kafası
Lineer Hızlandırıcı Tedavi Kafası
„
Monitör iyon odaları
Elektron Demetleri
Kolimatörler
„
„
„
„
Primer standart kolimatör
İkincil (Jaw) kolimatör
Asimetrik kolimatör
Multilif kolimatör (MLC)
Kolimatörler
MLC
Wedge
Betatron
„
„
„
Magnetik alanın değişimiyle elektronlar
dairesel bir yörüngede hızlandırılırlar
Daire şeklindeki hızlandırıcı tüp alternatif akım
ile çalışan bir elektromıknatısın kutupları
arasına yerleştirilmiştir
Elektron tabancasından sağlanan elektronlar
havası boşaltılmış hızlandırıcı tüp içine enjekte
edilirler
Betatron
„
„
Elektronlar istenilen enerjiye ulaştıklarında bir
hedefe çarptırılarak X-ışını demetleri veya
saçıcı foile çarptırılarak geniş elektron
demetleri elde edilir
Betatronlar 1950 yıllarından sonra
kullanılmaya başlanmış 1970’li yıllarda yerini
lineer hızlandırıcılara bırakmışlardır
Betatron
„
„
X-ışını doz verimleri düşük olması ve
geniş alan tedavilerine uygun
olmamaları nedeniyle yapımlarına son
verilmiştir
Elektron tedavisine daha uygun olup,
elektron doz verimleri yüksektir
Mikrotron
„
„
Lineer hızlandırıcı ile siklotron karışımı
bir tedavi cihazıdır
1972 yılından sonra İsveç’teki
Scanditronix AB firması tarafından
geliştirilmiş ve Umea Üniversitesinde
kullanılmıştır
Mikrotron
„
„
„
İlk olarak 6 ve 14 MV foton demetleri
Daha sonra 6 ve 22 MV foton demetleri
Ayrıca 3, 5, 7, 9, 11, 13, 16, 18, 20 ve
22 MeV elektron demetleri veren
mikrotronlar imal edilmiştir
Mikrotron
„
„
„
Elektronlar tek mikrodalga kavitesi
içinde elektrik alanı aracılığıyla
hızlandırılırlar
Magnetik alan elektronlara dairesel bir
yörünge sağlar, elektronların kavite
içinden her geçişte enerjileri artar
Mikrodalga güç kaynağı olarak
magnetron veya klaystron vardır
Mikrotron
„
„
„
Yapıları basit ve enerji seçimi kolaydır
Tek bir mikrotron jeneratörü birkaç
tedavi odasına elektron demeti
sağlayabilir
Böylelikle foton, elektron ve
intraoperatif tedavi aynı anda yapılabilir
Siklotron
„
„
„
İlk defa 1932’de Ernest Lawrence
tarafından yapılmıştır
Proton veya ağır yüklü parçacıklar
ivmelendirilerek yüksek enerjilere
ulaştırılırlar
Siklotron merkezinde bir iyon kaynağı
yeterince yüksek enerjide (örn.100 eV)
elektronlarla bombardıman edilir
Siklotron
„
„
Çarpışmalar sırasında birçok pozitif iyon
meydana gelir
Pozitif iyonlar iyon kaynağının
duvarındaki bir küçük delikten siklotrona
girerler ve ivmelendirilirler
Siklotron
Siklotron
„
„
„
D.ler bir magnetik alana yerleştirilir
(B=1,6 Weber/m2 ), bu magnetik alan
büyük elektromagnetlerle sağlanır
İyonlar basıncı 10-6 mmHg civarına
düşürülmüş boşlukta hareket ederler
İyonun yörüngesi D.nin dış kenarına
geldiğinde negatif yüklü bir saptırıcı
levha onu yörüngesine çeker
Siklotron
„
„
Kısa yarı ömürlü radyolüknidleri elde
edilmesinde kullanılır
I123 , C11 , N13 , O15 , O19 , F18 , Fe52
Siklotronda elde edilen
radyonüklidlerin yarı ömürleri
„
„
„
„
„
„
C11 : 20 dk
N13 : 10 dk
O15 : 2 dk
Fe52: 8 saat
F18 : 110 dk
I123 : 13 saat
Radyoterapide
Lineer Hızlandırıcılarla Tedavi
Teknikleri
„
„
„
„
„
Konvansiyonel radyoterapi
Konformal radyoterapi
Stereotaktik radyoterapi
Yoğunluk Ayarlı radyoterapi (IMRT)
Tomoterapi
SRS
SRS
„
„
GATA Radyasyon
Onkolojisi AD
Philips SL25
IMRT
IMRT
IMRT
Segmental IMRT
Static Step-and-Shoot Method
• uses a set of fixed
Shoot
beams.
Step
• each field to be treated
is subdivided into a set
of smaller sub-segments,
Segment 1
each with uniform
intensity.
Shoot
• sub-segment are
Step
delivered one at a time in Step
sequence.
• radiation is not on when
Segment 3
the leaves are moving to
the next segment. N. Dogan / April 2004
Shoot
Step
Segment 2
Shoot
Segment 4
IMRT
IMRT Delivery
wi
L eaf
d th
L ea
io n d
f m ot
ir e c t i
on
Typical intensity distribution of a beam produced
by IMRT optimization
N. Dogan / April 2004
Tomoterapi
NOMOS MIMiC
Multileaf IntensityModulating Collimator
Courtesy: NOMOS
N. Dogan / April 2004
Tomoterapi
Sequential (Tomographic) IMRT
“Deliverable” SC Optimized
“Deliverable” SC Optimized
“Deliverable” SC optimized
“Deliverable”
recalculated SC
withoptimized
MC
recalculated with MC
“Deliverable” MC optimized
“Deliverable” MC optimized
Couch Indexing
N. Dogan / April 2004
Courtesy: NOMOS
Teşekkür Ederim