Aplicações da Física de Partículas

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Transcrição:

Aplicações da Física de Partículas Luis Peralta (FCUL e LIP)

Aceleradores em aplicações médicas A pré-história William Crooks 2

Aceleradores em aplicações médicas 1895 - Descoberta dos raios-x O tubo de Raios-X contem um pequeno acelerador electrostático William Roentgen Mão de Anna Berthe Roentgen 22 Dezembro 1895 Instituto de Física da Universidade de Würzburg, Alemanha

Aceleradores em aplicações médicas Primeiras aplicações à Medicina Imagiologia (fluoroscopia) Terapêutica (radioterapia 1920) 4

Wideroe - 1928 Aceleradores em aplicações médicas O acelerador Linear l 1 l 2 l 3 l 4 l 5 l 6 l 7 Fonte O feixe é descontinuo (pacotes) L 1 <L 2 <L 3 Para se obter uma energia elevada são necessário grandes comprimentos ~ Fonte RF 5

Aceleradores em aplicações médicas Acelerador clínico de electrões moderno 6

Aceleradores em aplicações médicas Instalação de um acelerador linear 7

Aceleradores em aplicações médicas Conformação do feixe de fotões Várias incidências feixe de fotões IMRT (RadioTerapia de Intensidade Modulada) Orgão em risco 8

Sobrevivência de células tumorais / normais Mortalidade Células tumorais Células normais 9

Radiocirurgia - Feixes finos com fotões de alta energia colimadores adicionais Sistema planeamento comercial Simulação MC 10

Aceleradores em aplicações médicas Deposição de energia 11

Aceleradores em aplicações médicas Deposição de energia dos protões 12

Aceleradores em aplicações médicas Terapia com protões Centros Terapia com protões In Physics Laboratories In Hospitals (mostly) Courtesy Janet Sisterson, MGH

Aceleradores em aplicações médicas Terapia com protões 14

Radiografia com feixe de protões Raios-X Imagem Protões (MC) Tumor

Aceleradores em aplicações médicas Terapia com iões carbono 16

17

18

19

Terapia com fontes radioactivas Braquiterapia Mamária 20

Terapia com fontes radioactivas Braquiterapia da Próstata 21

FIBRAS DE POLIESTIRENO Fibras ópticas como dosimetros Câmara de ionização I N D U S T R I A L FI B E R O P T I C S, INC Dosimetro MOSFET Dosimetro de Fibra

O DosFib Fibra plástico emitindo no azul, 5 mm comprido (2 mm diâmetro) Fibra não-cintilante c/ 1 m comprimento Fotodetector de silício Leitura do sinal com electrómetro 23

Elementos do DosFib Hamamatsu Photodiode S9195 Resposta espectral Fibras azuis e verdes 24

Testes em laboratório do DosFib O DosFib foi testado com feixes de raios-x de 20 a 100 kvp Philips PW 2184/00 X-ray tube Dosimetro num fantoma de acrílico Câmara de ionização para testes Dispositivo experimental

Testes do DosFib no Hospital de Santa Maria Ir-192 Source Energia Ir-192 Afterloading http://www.physics.carleton.ca/clrp/seed_database/ir192_pdr/microselectron_v2/ Energia Raios-γ (kev) I γ (%) 295 29 308 30 316 83 486 48 604 8 612 5

Testes do DosFib no HSM Fonte Ir-192 Dispositivo experimental

Resposta do DosFib

O ciclotrão E. Lawrence 1929

Cintigrafia - Preparação do radiofármaco

Cintigrafia O exame clínico A radiação emitida pelo radiofármaco é detectada na câmara gama Câmara gama

Exemplos de cintigrafias Tiróide Detecção de anomalias na tiróide Doenças no cérebro

Exame aos pulmões usando gás kripton radioactivo a perfusão (feita com um radiofármaco injectado) mostra que um coágulo de sangue impede a circulação! o ar circula mas... ventilação perfusão

Detecção de metastases

Tomografia de Emissão de Positrões O Fluor-18 é um emissor de positrões Positrão + Electrão 2 Fotões O radiofármaco (FDG) é preparado num ciclotrão Aniquilação

Preparação do doente

Câmaras PET-CT

Um caso clínico de utilização: mulher 47 anos Antes do tratamento 8 meses após tratamento

O projecto ClearPEM Scanner ClearPEM desenvolvido no quadro da colaboração Crystal Clear Collaboration do CERN Sensitivity@350 kev (%) Y-axis (cm) 4 cm off-axis 3 cm off-axis 2 cm off-axis 1 cm off-axis central slice X-axis (cm) Consórcio PET-Mammography. LIP - Laboratório de Instrumentação e Partículas Hospital Garcia Orta - Serviço Medicina Nuclear IBEB - Instituto Biofisica e Engenharia Biomédica IBILI - Instituto Biomédico de Investigação da Luz e Imagem INOV- INESC Inovação INESC-ID - Instituto de Engenharia de Sistemas e Computadores INEGI - Instituto de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial TAGUSPARK Parque de Ciência e Tecnologia 39

Mamografia de emissão de positrões PET dedicado a mamografia Breast exam Requisitos ClearPEM : Alta sensibilidade Boa resolução espacial (1-2 mm FWHM) Boa resolução temporal p/rejeição fundo (1-2 ns) Exames mais curtos menos radiação dada ao paciente (370 MBq) Conceito do detector: Duas cabeças planas Exame mama e axila Exame c/paciente deitado Distância ajustável das cabeças e rotação Axilla exam 40

Tecnologia usada no Detector Cristais 20 mm de LYSO:Ce Matriz de cristais de BaSO 4 reflector Fotodiodos de avalanche (APD) Duplo readout mode Depth-of-interaction (DOI) measurement 6144 cristais Arrays com 32 cristais 384 APD arrays 192 detector modules (2 APD por cristal) (2 APD cada módulo) 41

Cada cabeça 4 supermodulos, 92 módulos 1 Bordo de serviço 2 pratos de arrefecimento Cabeça do detector Cada Supermodulo: 24 grupos de módulos 12 288 electronic channels 42

Detector montado no robot Assembled Detector Heads 43

PET-Ultra-Sons Baseado no ClearPEM Cabeças do detector Permitirá melhor qualidade de imagem Visualização de tecidos moles Não adiciona dose de radiação ao paciente

Tumor na mama Remoção do nódulo sentinela

Identificação do nódulo sentinela Injecção de um corante ou radioisótopo

Cirúrgia Imagens pre-operativas da localização do nódulo sentinela

Câmaras portáteis MiniCam II

O Detector ISPA 49

Avaliação SPECT camera 140 kev point source ISPA-tube 122 kev point source 50

Avaliação da qualidade da imagem SPECT camera ISPA-tube 14000 contagens FWHM ~4.3 mm 5 minutos Tempo equivalente 2800 contagens FWHM ~0.6 mm 51

Efeitos de uma irradiação aguda corpo inteiro Dose (Gy) Sintomas Observações 0-0,25 Nenhums Não existem efeitos clínicos relevantes 0,25-1 Nada ou algumas náuseas Medula óssea danificada. diminuição de glóbulos vermelhos e brancos bem como de plaquetas. Nódulos linfáticos e baço danificados. Diminuição do número de linfócitos. 1-3 Náusea e anorexia intensa, mal estar geral, surgimento de infecções. Os danos hematológicos são mais severos. A recuperação é possível mas não é segura. 3-6 Hemorragias, infecções, diarreia, epilação, esterilidade temporária. As mortes começam a verificar-se para doses superiores a 3,5 Gy mais que 6 Dano do sistema nervoso central. Incapacidades várias. Morte provável 52

Irradiação excessiva durante uma angioplastia coronária 1990 Individuo de 40 anos 120 min exposição RX 6 8 semanas 16-20 semanas 18-21 meses 53

Radiology: Volume 248: Number 1 July 2008 54

Radiology: Volume 248: Number 1 July 2008 Dose média anual devida a radiação de fundo ~ 2.5 3 msv 55

Desenvolvimento de dispositivos de monitorização pessoal 56

Agradecimentos João Varela (CERN) Adérito Chaves (IPO) João Seco (Harvard) Marta Dias (FCUL) Patrick Sousa e Conceição Abreu (LIP) Florbela Rego (LIP) FIM 57