ZÁŘENÍ V MEDICÍNĚ

IONIZUJÍCÍ ZÁŘENÍ A SVAZKY ČÁSTIC -

ÚČINNÝ NÁSTROJ V RUKÁCH MEDICÍNY

Využití ionizujícího záření a svazků částic v lékařství vyžaduje spolupráci dvou vědních oborů fyziky a medicíny. Využití záření a svazků částic v lékařství nachází dvojí uplatnění:

diagnostika

terapie

Historie spolupráce medicíny a fyziky ve zmíněné oblasti se odvíjí od roku 1895, W.C.Röntgen kdy W.C. Röntgen při studiu elektrického výboje náhodně objevil neviditelné záření (paprsky), které způsobovaly fluorescenci v papíře pokrytém fluorescentní látkou. Nové, neznámé paprsky, jejichž podstata v té době nebyla známa, označil jako paprsky X. Teprve později bylo zjištěno, že to jsou elektromagnetické vlny, ale s kratší vlnovou délkou než má viditelné světlo. V dalších pokusech bylo také potvrzeno, že rentgenové paprsky, které dostaly název po svém objeviteli, vzniknou, když katodové paprsky, tj. elektrony dopadnou na kovový materiál.

Při studiu paprsku X se zjistilo, že různé látky pro ni vykazují různou prostupnost. Další vlastností, důležité pro jejich využití v medicíně byly, že způsobují zčernání fotografické emulze, a je tedy možné s jejich pomocí vytvořit obraz objektu. Medicína tuto možnost využila a naučila se rentgenové paprsky používat pro diagnostiku, například pro vyhledávání cizích předmětů v lidském těle. Fotografická metoda byla postupně rozvíjena, takže v současné době je možné snímkovat i vnitřní orgány a cévy za pomoci kontrastních látek, kterými se zkoumané objekty naplní. Vybírají se takové látky, které mají vyšší hustotu než okolní tkáně, aby jimi naplněné orgány byly na snímku dobře viditelné.

Snímek ruky paní Röntgenové ze 22.12.1895, první rentgenový snímek

Rentgenové záření bylo v některých případech využito i k terapii, například při léčení určitých druhu kožních onemocnění.

Zatímco fotony rentgenového záření vznikají při přechodech elektronu v atomovém obalu a nesou energii řádově tisíce elektronvoltů (eV), fotony záření gama vznikají při přechodech v atomovém jádře a mají energii mnohonásobně větší. Pronikavost záření gama látkou je proto podstatně větší než pronikavost rentgenového záření.

V současné době se pozornost při diagnostice a léčbě nádorových onemocnění zaměřuje jak na zlepšení diagnostiky ,tak na zintenzivnění léčby při současném snižování dávky záření, aby se co nejvíce předešlo vedlejším nežádoucím účinkům záření. V oblasti diagnostiky se v posledních letech uplatňují zcela nové fyzikální principy zobrazení a s tím související moderní techniky. Jedná se o zobrazování pomocí jaderné magnetické rezonance, počítačové tomografie a pozitronové emisní tomografie. Všechny vyjmenované metody jsou úspěšně používány díky obrovskému rozvoji, který v posledním období nastal v oblasti detektorů záření, výpočetní technice a zpracování velkých souborů dat. Metody pro detekci záření musí být velice přesné a citlivé, což klade obrovské nároky zejména na vlastnosti používaných detektorů. V oblasti diagnostiky je proto nutná úzká spolupráce mezi medicínou a fyzikou.

Diagnostika

Citlivější detektory ionizujícího záření spolu s počítačovými metodami umožňujícími zpracování velkého množství dat vytvořily předpoklady pro nové diagnostické metody. Vytvářejí se detailní snímky jednotlivých řezů tkání vytvořené z mnoha bodů, které vznikají vyhodnocením rozptýleného záření měřeného v okolí těla. Ze snímku odpovídajících jednotlivým řezům se nakonec vytvoří trojrozměrný obraz zkoumané tkáně nebo orgánu.

Jako zdroj záření bylo původně , ale i v současné době je používáno rentgenové záření a odpovídající diagnostika se nazývá počítačová tomografie (CT). Tato metoda byla dále zdokonalována, jak použitím komplikovanějšího způsobu detekce záření, tak vyhodnocováním záření vysílaným radioaktivním izotopem pohlceným přímo v těle pacienta.

Pozitronová emisní tomografie (PET) je založena a použití izotopu emitujících pozitrony. Takový radioizotop se podá jako radiofarmakum vhodným způsobem pacientovi a sleduje se následné rozdělení izotopu v těle. Využívá se přitom specifického chování pozitronu při interakci s látkou. Pozitron, který vznikne při radioaktivní přeměně radionuklidu, po uběhnutí krátké dráhy v látce (několik mm) interaguje s elektronem. Při této interakci pozitron i elektron zaniknou, a jsou vyzářeny v opačných směrech dva fotony, každý s energií 511 keV. Dva fotony s danou hodnotou energie pohybující se v opačných směrech lze současně (v koincidenci) registrovat detektory umístěnými kolem sledovaného místa , uspřádané nejlépe v prstencích. Vyhodnocením koincidenčních měření lze získat informaci o místě, kde k anihilaci páru elektron-pozitron došlo. Výsledkem detekčního procesu a dalšího zpracování je obraz prostorového rozložení podaného radiofarmaka. Jako zdroje pozitronu se používají uměle vytvořené radioizotopy s krátkým poločasem přeměny, aby pacient byl podroben účinku záření radioizotopu co nejkratší dobu. Proto musí být současně se zařízením PET k dispozici cyklotron, který zabezpečuje přísun vhodných krátkodobých radiofarmak. Nejčastěji používanými izotopy jsou například:

¹¹C 20 minut

¹³N 10 minut

¹⁵O 2 minuty

¹⁸F 110 minut

Schematické znázornění principu PET

PET je v současné době nejcitlivější technikou zobrazování procesu v lidském těle. Na jejím základě je možné detekovat velice malé koncentrace značkovacích sloučenin, které lze bez obav pacientům aplikovat. Metoda PET se používá při studiu různých fyziologických pochodů v lidském těle, například v mozku, dále se užívá při diagnostice nádoru, a také při sledování a kontrole léčby radioizotopy. Jestliže se pro léčbu použije radiofarmakum obohacené izotopem vysílajícím pozitrony, je možné pomocí PET určit absorbovanou dávku v nádoru.

Terapie

Požadavek na zintenzivnění radioterapie úzce souvisí s problémem účinného ozáření s co možná nejmenšími vedlejšími účinky. Je třeba dosáhnout toho, aby dávka záření byla absorbována pouze v oblasti nádoru, eventuálně v nejbližším okolí. V případě rentgenového záření nebo záření gama však podstatná část záření zasáhne tkáň před a za nádorem. Proto se k ozařování začaly využívat protony nebo ionty. Změnou jejich energie lze významně ovlivnit oblast kterou zasáhnou. Dávka záření je pak z největší části absorbována v nádoru, a proto lze dosáhnout zlepšení účinnosti léčby a potlačení vedlejších účinků záření. S léčbou nádorů pomocí svazku protonů bylo započato v roce 1954. V současné době se protonová terapie uskutečňuje v řadě míst na celém světě.

Přednosti použití protonů:

Dobře definovaný dosah (dráha, kterou proton urazí než se zastaví) v daném prostředí, který se mění v závislosti na energii protonu.

Proton předává maximum dávky na konci své dráhy, oblast uložení dávky je úzce lokalizovaná a lze ji předem spolehlivě stanovit.

Pro větší vzdálenosti než je dosah je předaná dávka prakticky nulová.

Obvykle je používán pohyblivý výstup protonového svazku, který v některých případech může dokonce rotovat kolem těla pacienta. Lůžko pacienta je nastavitelné, takže lze optimálně zvolit jeho polohu vúči protonovému svazku, který lze upravit stranově i hloubkově. Podstatné je zejména hloubkové nastavení svazku, které se provádí změnou energie protonů. Současně se může provádět i regulace intenzity svazku.

Protonové svazky se uplatňují zejména při léčbě nádorů uložených v hloubce. V těchto případech je zvlášť důležité předat dávku záření pouze nádoru, bez poškození tkáně, kterou svazek prochází. Přesné prostorové nastavení pomocí úzkého svazku protonů se obvykle provádí předem velice pečlivým prostorovým skanováním oblasti nádoru.
Úspěch zaznamenalo ozařování protony rovněž při léčbě nádorů oka, kde cílová oblast ozáření musí být velice přesně vymezena.

Těžké ionty - nový nástroj pro léčbu

Svazky těžkých iontů jsou v současné době nejúčinnějším nástrojem pro léčbu hluboko uložených nádorů. Důvodem je průběh velikosti dávky, kterou předávají během své dráhy v prostředí. Poškození nádorových buněk těžkými ionty na konci jejich dosahu je obvykle nevratné, takže dochází k jejich úplnému zničení. Vhodné jsou například ionty uhlíku, které podél dřívější části dráhy (před nádorem) způsobí pouze dočasné škody na buňkách, zatímco v oblasti dosahu je míra zničení podstatná.

Tuto velice efektivní metodu - používající těžké ionty - lze provozovat za předpokladu kontroly účinku iontů, například monitorováním sekundárních radioaktivních iontů, které vznikají podél svazku vysokoenergetických uhlíkových iontů, pomocí metody PET. Tak se dosáhne přesné stanovení polohy svazku v těle, což je při použití metody těžkých iontů velmi důležité.
Cílem projektů, uskutečňovaných v různých místech celého světa zaměřených na zabezpečení léčby pro další tisíciletí je vhodně skloubit všechny popisované způsoby terapie a léčby.

Také v České republice, v Praze, se předpokládá vybudování synchrotronu, který by poskytoval svazek protonů s energií v rozmezí 60 - 220 MeV pro léčbu nádorů umístěných v různých hloubkách. Zároveň by měla být produkována radiofarmaka s krátkým poločasem přeměny pro pozitronovou emisní tomografii (PET), tak aby účinná protonová terapie mohla být spojena s přesnou diagnostikou

Literatura: W. Kienzle & A. Pascolini: Hadrony pro zdraví - Fyzika v diagnostice a terapii

Editoři: Z. Kohout D. Nováková