1 / 42

Hadronová radioterapie – současná situace v Evropě a v ČR

Hadronová radioterapie – současná situace v Evropě a v ČR. Informace o konferenci HCPBM 2003 a evropském programu ENLIGHT Pavel Kundrát Fyzikální ústav AV ČR. Nádorová onemocnění. druhá hlavní příčina úmrtí v ČR ročně cca 60000 nových případů vyléčit se daří cca 45% onemocnění chirurgie

hisa
Download Presentation

Hadronová radioterapie – současná situace v Evropě a v ČR

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Hadronová radioterapie – současná situace v Evropě a v ČR Informace o konferenci HCPBM 2003 a evropském programu ENLIGHT Pavel Kundrát Fyzikální ústav AV ČR

  2. Nádorová onemocnění • druhá hlavní příčina úmrtí • v ČR ročně cca 60000 nových případů • vyléčit se daří cca 45% onemocnění • chirurgie • radioterapie • chemoterapie

  3. Radioterapie • lokální léčebná metoda, méně pokročilé nádory; paliativní léčba • maximalizovat pravděpodobnost odstranění nádoru, minimalizovat pravděpodobnost vzniku komplikací • dopravit do nádorového ložiska letální dávku, nepřekročit toleranční dávku okolních tkání • přizpůsobit oblast předávané dávky podle tvaru ložiska • frakcionace

  4. Konvenční radioterapie • fotony, elektrony (60Co, linac) • exponenciálně klesající hloubkové dávky • ozařování z více polí

  5. IMRT • nehomogenní intenzitní profil • pokrytí cílové oblasti vysokou dávkou • rozložení zátěže okolních tkání na větší oblast • eskalace dávky

  6. Hadronová radioterapie • protony, ionty – Braggův pík • nulová zátěž za doběhem • malá zátěž před píkem • minimální boční rozptyl • hloubka píku ↔ energie částic • modulace svazku

  7. Fotony Protony

  8. Modulace svazku:Pasivní rozptyl

  9. Modulace svazku:Aktivní scanning

  10. Hadronová radioterapie vs. IMRT cílová oblast: nosohltan + lymfatické uzliny (žlutě) kritické orgány: mozkový kmen, příušní žlázy (červeně) fotony - IMRT protony – IMPT (aktivní scanning, 4 pole) E.Pedroni, Europhysics News 31, 2000

  11. Radiobiologie – experimentální charakteristiky • pravděpodobnost odstranění nádoru (TCP), pravděpodobnost vzniku komplikací (NTCP) • podíl přežívajících buněk (SF) • lineární přenos energie (LET) • relativní biologická účinnost (RBEion=Dx/Dion)

  12. Radiobiologie – experimentální charakteristiky • lineární přenos energie (LET) • relativní biologická účinnost (RBEion=Dx/Dion) • kyslíkový poměr (OER=Dhypoxic/Doxic)

  13. Radiobiologický mechanismus • fyzikální fáze • přenos energie, excitace, ionizace, tvorba radikálů • chemická fáze • difuse, rekombinace, chemické reakce, poškození DNA • biologická fáze • opravné procesy, buněčná odpověď, apoptóza, nekróza; orgán, organismus

  14. Lehké ionty • radiobiologie • vysoká ionizační hustota (LET) • husté radikálové shluky • komplexní poškození DNA • vyšší biologická účinnost • Braggův peak • vyšší RBE • nepříznivý kyslíkový efekt potlačen • nižší počet frakcí • nádory v blízkosti kritických orgánů • hypoxické radioresistentní nádory • on-line monitoring předávané dávky - PET

  15. Technické požadavky HT • dosah ve tkáni • nádory očí 2-3,5 cm • oblast hlavy a krku 2-10 cm • uvnitř těla 2-25 cm • potřebná maximální energie • protony 220-250 MeV • ionty až 400 MeV/u • posun Braggova maxima (1-3 mm) → kroky změny energie (0,5-1 MeV) • velikost ozařovacího pole • dávková rychlost → tok částic • urychlovače • cyklotron (IBA, Accel) • synchrotron (PIMMS, PRAMES, Optivus) • gantry • aktivní scanning

  16. Cyklotron • kompaktní (průměr 6m) • pouze protony • IBA • NPTC Boston, 2001 • 230 MeV • fixní energie, nutnost brzdit částice • zhoršené parametry svazku • pasivní modulace

  17. Synchrotron • větší prostorová náročnost (PIMMS:průměr 23m) • variabilní energie • lepší kvalita svazku • aktivní skening • protony (PRAMES, Optivus) i ionty (PIMMS, HICAT) • PIMMS: • protony 60-250 MeV • uhlík 120-400 MeV/u • evropské projekty

  18. HT ve světě • Particle Therapy Co-Operative Group (PTCOG) • téměř 40000 pacientů (protony + ionty) • cca 25 center, dalších 20 plánováno (USA, Evropa, Japonsko) • fyzikální centra → medicínská střediska • Loma Linda (USA) - 1991, HIMAC Chiba (Japonsko) - 1994

  19. Aktivity v rámci ČR • interdisciplinární pracovní skupina „Využití ionizujících částic v lékařství a biologii“ • 1.LF UK, FZÚ, ÚJF AVČR, ÚJV • neutronová záchytová terapie (BNCT) • klinické testy - ÚJV Řež , ÚJF AV ČR, Nemocnice Na Homolce, Onkologická klinika 1.LF UK a VFN • hadronová radioterapie • výzkumné zprávy, studie • PRAMES (1996-2000) • Onkologie 2000 – PIMMS (gantry) • studie „Onkologické centrum s hadronovou radioterapií“, FZÚ AVČR, květen 2002 http://weber.fzu.cz/projekty/medicine/studie.pdf • od r.2002 ENLIGHT

  20. ENLIGHT http://www.estro.be/estro/Index.html • European Network for LIGht Ion Hadron Therapy (grant EC, 2002-2005) • využití iontových svazků v radioterapii – fyzikálně technické aspekty, indikace, výběr pacientů, ekonomické otázky • European Society for Therapeutic Radiology and Oncology (ESTRO) • European Organization for Nuclear Research (CERN) • European Organisation for Research and Treatment of Cancer (EORTC) • Gesellschaft für Schwerionenforschung GmbH, Darmstadt (GSI) • German Cancer Research Center (DKFZ Heidelberg), German Heavy Ion Project (GHIP) • Fondazione per Adroterapia Oncologica (TERA) • Karolinska Institutet • ETOILE Project, Université Claude Bernard Lyon 1 • Med-Austron, Wien • FZR - Project Forschungszentrum Rossendorf • Linköping University • Hospital Virgen de la Macarena • Charles University Praha

  21. ENLIGHT • grant EC, od 1.9.2002 (do 2005) • Initial ENLIGHT Workshop, CERN, Ženeva 12.-13.2.2002 • radiobiology, epidemiology and patient selection, accelerator technology • Co-ordination meetings (WP leaders) • Brusel, 19.-22.10.2002 • Stockholm, 23.-24.8.2003 • Lyon, 4.-5.10.2003 • Plenary meetings • HCPBM Baden, 26.-29.9.2002 • HCPBM Lyon, 2.-5.10.2003

  22. ENLIGHT – Workpackages • Epidemiology and patient selection (R.Pötter; L.Petruželka, B.Konopásek, P.Mareš, J.Vaňásek) • Design and conduct of clinical trials (J.-J.Mazeron, A.Zurlo; B.Konopásek, P.Mareš, J.Vaňásek) • Preparation, delivery and dosimetry of ion beams (A.Brahme) • Preparation of Ion Beams (Th.Haberer; Fr.Spurný, J.Štursa, M.Běgusová) • Dosimetry of Ion Beams (S.Rossi; K.Prokeš) • Treatment Planning (O.Jäkel; Fr.Spurný, J.Štursa, M.Běgusová, T.Čechák, J.Klusoň) • Accelerator Technology (H.-F.Hoffmann) • Radiation biology (A.Wambersie; M.Lokajíček, L.Judas, P.Kundrát) • In-situ monitoring with positron emission tomography (W.Enghardt) • Health-Economic Assessment (L.Ä.Levin; J.Vaňásek, L.Petruželka, B.Konopásek, P.Mareš, K.Prokeš)

  23. HCPBM Lyon 2003 • 9th Workshop on Heavy Charged Particles in Biology and Medicine and 3rd ENLIGHT Meeting • Lyon, Francie, 2. – 5. října 2003 • 130 účastníků – fyzikové, biologové, lékaři, ekonomové

  24. HCPBM Lyon • program • radiobiologie – experimenty, modely • související fyzikální a kosmický výzkum • plánování léčby, pohyb orgánů • technologie urychlovačů a gantry systémů • epidemiologické studie • MedAustron – studie 3 měsíce • ETOILE – jednodenní průzkum • výsledky klinických zkoušek, ekonomické aspekty hadronové radioterapie • situace v jednotlivých centrech • paralelní sekce – pracovní skupiny ENLIGHT • shrnutí, koordinace dalšího programu

  25. Klinické indikace • epidemiologické studie • MedAustron – 3 měsíce • ETOILE – jednodenní průzkum • počty pacientů – Německo • výsledky klinických zkoušek

  26. HICAT Heidelberg • Heavy Ion Cancer Therapy Centre • p 48-220 MeV He 72-330 MeV/u C 88-430 MeV/u O 102-430 MeV/u • linac: 5m, 7 MeV/u • synchrotron, průměr 20m • gantry 20m x 13m průměr (120t), aktivní scanning • financování zajištěno - 75 mil. € • preklinický provoz 2006, klinický od 2007

  27. Další evropská centra • TERA, Itálie • finální design, 50% prostředků zajištěno • ETOILE Lyon • MedAustron, Rakousko • Karolinska, Stockholm • technologie GSI → Siemens

  28. HCPBM Lyon – česká účast • FZÚ AVČR – M.Lokajíček, P.Kundrát • ÚJF AVČR – Fr.Spurný, M.Běgusová • 1.LF UK – L.Petruželka, P.Mareš, K.Prokeš • radiobiologické modely • „To the mechanism of cell inactivation by light ions at different energy values“ (P. Kundrát, H. Hromčíková, M. Lokajíček – FZÚ AVČR) • „Modeling of chemical phase of radiobiological mechanism and oxygen effect“ (J. Barilla – UJEP Ústí nad Labem, M. Lokajíček – FZÚ AVČR) • dosimetrie • karcinom slinivky

  29. HCPBM Lyon 2003

  30. Modeling of chemical phaseof radiobiological mechanismand oxygen effect J. Barilla1, M. Lokajíček2 1 Pedagogical University, Ústí n. Labem, Czech Republic 2 Institute of Physics, AVČR, Prague 8, Czech Republic

  31. 1. Introduction • Importance of oxygen effect in radiotherapy • Oxygen fixation hypothesis (Alper and Howard-Flander, 1956) • Criticism of Ewing (1998) • twofold role of oxygen

  32. Mathematical model of chemical phase • Physical phase: • Formation of radical clusters in water medium • Chemical phase: • recombination of radicals • interaction of radicals with H2O, O2, a.s.o. (eventually: formation of other radicals) • diffusion of radical clusters • formation of SSBs and DSBs in chromosomal DNA • Mathematical model (system of differential equations, etc.) • see: J. Barilla, M. Lokajíček: J. Theor. Biol. 207 (2000), 405 mainly Eqs. (20) - text attached to the poster

  33. 3. Comparison of model with experimental data • Data: SSB and DSB formation in water solution of DNA J. Blok, H. Loman: Radiat. Res. 9 (1977), 165 • irradiation by gamma radiation of Co-60; dose - 5 Gy • different concentrations of O2 in N2 and N2O • Fitting: dependence of DSB numbers on oxygen concentration • Results: see attached graphs • Two roles of oxygen: • absorption of H-radicals (at low oxygen concentrations) • increasing damage effect by HO2-radicals (at higher oxygen concentrations) see: attached table

  34. 4. Concluding remarks • Model is now being further developed: • other radiomodifiers included, too • diffusion of radical clusters formed around ion tracks

  35. HCPBM Lyon

  36. To the mechanism of cell inactivation by light ions at different energy values P. Kundrát, H. Hromčíková,M. Lokajíček Institute of Physics, Academy of Sciences of the Czech Republic, Prague

  37. Probabilistic two-stage model • 2 different phases of radiobiological mechanism • Energy transfer events and formation of individual DNA damages • Biological reaction of a cell to cumulative damage • An individual particle might form: A.Irreparable damage… probability a(l) • Probability of no damage after k hits: qkA = (1-a(l))k B.Severe but reparable damage… probability b(l) • Combination of such damages may inactivate the cell, if not repaired correctly • Probability of successful repair … r(k,l) • Survival probability qkB = 1 – [1 – (1-b2(l))k(k-1)/2] . [1 – r(k,l)] • Cell survival probability – both phenomena: qk = qkA . qkB Inactivation probability: pk = 1 – qk • Number k of particles traversing chromosomal system (energy transfer events) • Poisson distribution: Pk = exp(-hD) . (hD)k / k! h...number of particles per unit dose • Probability of cell survival: s(D)=1-∑kPkpk

  38. Analysis of experimental data (1) • Irradiation of V79 cells by low-energy protons – data taken from Belli et al., Int J Radiat Biol 74 (1998), 501-509 • Model functions used for a(l), b(l), r(k,l): see poster • Flexible test functions with low number of free parameters • Total c2 value: 24.0, c2|DF=0.97 (LQ model: c2=45.0, c2|DF=1.67)

  39. Analysis of experimental data (2) • Increase of inactivation probability with number of traversing particles • Results: • Saturation of irreparable damage formation • Increasing probability of formation of reparable damage • Probability of successful repair decreasing with linear energy transfer and/or number of traversing particles – increasing damage complexity • Probability of irreparable damage formation, a(l) • Severe but reparable damage formation probability, b(l) • Probability of successful repair, r(k,l)

  40. Conclusion • General two-stage model of cell inactivation • Systematic description of experimental data • Detailed structure of cell survival curves (important for fractionation) • Realistic model scheme – irreparable and reparable damages, characteristics of repair processes • Basis for microscopic modelling of radiobiological effect • More precise and systematic experimental data needed to establish detailed characteristics of underlying mechanisms • Future aims: • Systematic analyses of ion data, comparison with track-structure models • More detailed models for inactivation probabilities – mechanistic basis (ionization, radical clusters, DNA damage formation, repair processes)

  41. Shrnutí • využití lehkých iontů • Braggův pík, konformace, ostrý dávkový gradient • vyšší biologická účinnost (RBE) • nepříznivý kyslíkový efekt snížen (OER) • nižší počet frakcí • on-line monitoring – PET • nádory v blízkosti kritických orgánů, hypoxické radioresistentní nádory • úspěšnost léčby 45 → 55% • technické požadavky • synchrotron PIMMS • protony – uhlík • gantry systém • aktivní scanning

  42. Shrnutí • ENLIGHT • fyzikálně technické aspekty • radiobiologie (experimenty, modely), volba optimálního iontu, plánování léčby • indikace, počty pacientů, klinické testy • evropská síť RT pracovišť • kritické zhodnocení hadronové RT, rámec pro klinické využití

More Related