Biological Effects of Ionizing Radiation

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1 物理於醫學之運用 : 以游離輻射為例 (Physics in Medicine : using ionizing radiation as an example) 洪志宏醫師 (Ji-Hong Hong, M.D., Ph.D.) In Physics and Life class of NCCU

2 上課內容 游離輻射之定義及生物作用 游離輻射之歷史 游離輻射之醫學應用 腫瘤放射治療之簡介 先進之放射治療設備

3 游離輻射之定義及生物作用

4 電磁波 Wavelength (m) Size Water protein virus bacteria cell baseball house Sources Names γ rays X-rays IONIZING RADIATION U.V. V I S I B L E Infrared Radar Microwaves NON-IONIZING RADIATION T.V. Radio Radio Waves Short Waves Energy/ photon (electron volts)

5 輻射種類 (Type of radiation) 定義 : 游離 (ionization): 將核子核外電子完全彈出軌道外 每一游離電子約需 33 ev/per. 激發 (Excitation):

6 游離輻射特性 - 電磁波 (Electromagnetic radiation) Velocity = c: 3 x cm/s, λν=c ((λ: wavelength, ν: frequency) - Photons: packets of energy E = hv (E= energy, h = Planck s constant, v= frequency) kev= 1.6 x 10-9 ergs A=10-8 cm

7 X- 射束與伽碼射束 (Gamma-ray) X- 射線 (X-ray): 核外發生 Accelerating of electron to hit the target, energy loss by the form of x-ray. Diagnostic and therapeutic X-ray 伽馬線 (γ-ray): 核內發生 Decay of isotope Co-60, Cs-137

8 Definition of radiation dose Unit: 1 Gy = 1 J/Kg, (4 Gy = 4 J/kg) 1 calorie = 4.18 J, (1 J=0.24 calorie) increase 1 o C => 1 Kcalorie/1 Kg 1 Gy = 1 J/Kg = o C

9 LD/50/60: 在 60 天內引起一半照射生物死亡所需的劑量 在人類為 4 格雷 (LD: Lethal dose) 游離輻射 : 能量被身體吸收 與非游離輻射相比, 其生物效應不在於吸收能量的總量, 而在於其吸收能量的總量的品質

10 品質的關鍵 : 游離 " X- 射束的吸收 1. 光電效應 (Photoelectric process): lower energy range proportional to Z 3.

11 診斷用 X- 光因原子序及密度同而形 成對比 ( 光電效應與 Z 3 成正比 )

12 2. 康普吞效應 ( Compton process): higher energy range, independent of Z. Absorption of X-rays

13 Absorption of X-rays 3. 成對效應 (Pair production): >0.51 MeV, proportional to Z 0.511MeV photon hν>1.02 MeV positron e + electron e - electron e MeV photon

14 電子游離的後續效應 (Consequences of ionizing event) eg % body content is water H 2 O H 2 O + + e - H 2 O + OH. + H + H 2 O + + H 2 O - H 3 O + + OH. Formation of free radicals is the major biochemical consequence X-ray damage to DNA: 2/3 caused by hydroxy radicals

15 Components of an eukaryotic cell

16 What is Deoxyribonucleic acid (DNA)? Adenine pairs thymine, Guanine pairs cytosine

17 Function of DNA: carry genetic code.

18 DNA strand break 單股斷裂 (Single strand break) vs. 双股斷裂 (double strand break)

19 DNA 傷害 單股斷裂 (Single-strand breaks, ssb s) 雙股斷裂 (Doublestrand breaks, dsb s)

20 DNA 傷害後細胞的命運 死亡 存活 完全修復 不完全修復 未在重要部位 在重要部位 : 突變 致癌

21 Time Scale of Radiation Effects Sec INCIDENT PHOTON IONIZATION AND EXCITATION Physical effects ION RADICAL LIFETIME Chemical effects Mins-Hrs Hrs-Days Days-Years FREE RADICAL LIFETIME BREAKAGE OF BONDS CHEMICAL REPAIR / MISREPAIR ENZYMIC REPAIR / MISREPAIR EARLY BIOLOGICAL EFFECTS LATE BIOLOGICAL EFFECTS Biochemical effects Cellular effects Tissue effects Systemic effects

22 游離輻射之歷史

23 X-ray: discovered by Roentgen in a new kind of ray emitted by a gas discharge tube. X: unknown First radiography: hand First application: published in Lancet in 1896, located a piece of knife in the backbone. Radioactivity: by Becquerel in Radium: by Piere and Marie Curie, 1898

24 Roentgne s laboratory ; University of Wurzburg

25 The first X-ray Roentgne s wife s hand

26 第一個治癒個案 1899 年治癒 basal cell carcinoma

27 Office-based therapy Hammersmith Hospital, London, 1905

28 Radioactivity and radium 1896 Antoine Henri Becquerel: Uranium 1898 Marie and Piere Curie: Radium and polonium

29 Radium bomb 1930

30 First Co-60 machine: 1951

31 6 MV Stanford Linac and first treatment year 1955

32 Ernest O. Lawrence Cyclotron, 1931

33 游離輻射之醫學應用

34 診斷 X-ray X-ray tube 電腦斷層 Isotope 核醫 放射治療 體外 Co-60, X-ray, 質子 (proton), 重粒子.. 體內 Isotope

35 胸部 X- 光

36 電腦斷層 (CT scan)

37 電腦斷層 (CT scan)

38 分子影像 正子照影

39 如何做?

40 PET camera

41 分子影像 葡萄糖正子照影

42

43 游離輻射之醫學應用 癌症治療

44 台灣男女性 10 大癌症發生分率, 民國 年 ( 發生人數 ) 部位 百分比 (7,051 7,159) 肝 (5,426 5,497 ) 結腸及直腸 ( 5,537 5,566) 肺 (4,363 4,310) 口腔 (2,660 2,704) 攝護腺 7 7 (2,380 2,288) 胃 6 6 (1,374 1,403) 食道 4 4 (1,380 1,363) 膀胱 4 3 (1,196 1,139) 皮膚 3 3 (1,123 1,123) 鼻咽 3 3 (6, ) 其他癌症 男性共 (39,075 39,431 人 ) 備註 : 口腔癌含下咽及口咽 百分比 部位 ( 發生人數 ) 乳房 (6, 人 ) 結腸及直腸 (4, 人 ) 10 9 肝 (2,779 2,757 人 ) 9 9 肺 (2,605 2,746 人 ) 8 7 子宮頸 (2,292 1,977 人 ) 5 4 胃 (1,338 1,292 人 ) 4 4 甲狀腺 (1,132 1,146 人 ) 3 4 皮膚 (965 1,039 人 ) 3 3 子宮體 ( 人 ) 3 3 卵巢 ( 人 ) 其他癌症 (5,707 5,938 人 ) 女性共 (28,821 29,476 人 )

45 男性 10 大癌症 年新發個案存活率 ( 追蹤至 95 年 ) 全癌症 肝 肺 結直腸 口腔 胃 攝護腺 膀胱 食道 鼻咽 皮膚 一年 二年 三年 四年 五年

46 女性 10 大癌症 年新發個案存活率 ( 追蹤至 95 年 ) 全癌症 乳房 子宮頸 結直腸 肝肺胃 甲狀腺 皮膚 子宮體 卵巢 一年 二年 三年 四年 五年 備註 : 子宮頸癌僅限侵襲癌

47 如何根治腫瘤治療 早期發現 診斷 早期治療 精準掌握病情 診斷 最佳的治療 手術 放射治療 化學治療

48 腫瘤治療失敗 第一目的 : 局部腫瘤控制 1/3 死於遠側轉移 1/3 死於局部失敗 1/3 死於局部復發加, 遠側轉移 >> 局部失敗 腫瘤治療失敗 死亡 生活品質損害代價高 放射治療根治不同腫瘤 Eg. 子宮頸癌 鼻咽癌 頭頸癌 乳癌 攝護腺癌等

49 放射治療的目的 根治 : 根治腫瘤 第一目的 : 局部腫瘤控制 第二目的 : 功能保留 疏緩 : 不能根治腫瘤, 延長生命或改善生活品質

50 第二目的 : 功能保留 不只根治腫瘤, 同時保留器官功能. 主要部位 : Eg: 早期乳癌 喉癌 下咽癌 攝護腺癌 膀胱癌等

51 放射治療基本原則 精準定位劑量 劑量和體積 腫瘤控制 副作用

52 三度空間順形治療 (3-D conformal RT) Immobilization Image acquisition 3-D treatment planing and treatment Contour delineating

53 三度空間順形治療之限制 Dose = Gy Really Ideally

54 強度調控放射治療 Conventional field Intensity modulation field

55 Conventional field 強度調控放射治療

56 放射治療新趨勢與局限 精準 : 影像導引 (Image-guided radiotherapy, IGRT) 順形 : 強度調控 (Intensity-modulated RT, IMRT) X-ray 分散劑量 : 多角度照射劑量腫瘤 深度

57 Do not decrease integral dose to body, but reduce dose/per unit area 粒子治療?

58 Dose profile of proton Bragg peak Less dose at the entrance. Nearly no dose at the distal sites

59 Spread of Bragg Peak (SOBP) Entrance dose is increased as the SOBP, but still less than tumor dose and that by X-ray. Still nearly no dose at distal sites.

60 量深度劑質子之物理特性 Modulated proton beam Spread-out Bragg peak Bragg peak X-ray 未展開之 Bragg peak 腫瘤

61 X-ray 其他腫瘤 食道癌 軟組織腫瘤 小兒腫瘤 任何靠向單側之腫瘤.. Medulloblastoma X-ray 100 Proton 60 Proton 10

62 粒 ( 質 ) 子治療所需之設備 加速器同步加速器 (Synchrotron) 迴旋加速器 (Cyclotron) 直線加速器 射束傳輸系統 (Beam transport) 質子射束傳送系統 (Beam delivery) 病患定位系統 (Patient positioning) 治療計劃系統 (Treatment planning ) 其他相關系統

63 (Amaldi et al) Facility Design Loma Linda Medical Centre

64 Facility Design Typical proton therapy equipments ex. IBA system Energy Selection System (ESS) Proton Accelerator Rotation gantry Bending magnets Dipole, quadrupole Beam line

65 System Overview Rotating treatment gantry IBA design Rotating radius 5.3 m Treatment room 48 0 bending magnet bending magnet

66 迥旋加速器 加速器 同步加速器 超導體迥旋加速器

67 Cyclotron

68 射束傳輸 Beam path Magnetic dipole Magnetic quadrupole Beam diagnostics

69 射束傳輸 Bending Magnets Quadrupole Beam optics focusing Bending Magnets Dipole Beam direction control

70 治療房 Treatment nozzle Patient positioner

71 治療房 Treatment room at NCC, Japan Dual X-ray positioning system Dual X-ray positioning system

72 Gantry

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