Säteilyn käyttö terveydenhuollossa: sädehoito

Transkriptio

1 Säteilyn käyttö terveydenhuollossa: sädehoito Eloonjäämiskäyrät Sädeherkkyys: sädehoidon 4 R:ää Sädehoidon fraktiointi Annosnopeudesta Säteilysuojelusta ja laskuesim. 1 Periaate: Sädehoidossa syöpäkudokseen annetaan ionisoivaa säteilyä, joka tappaa syöpäsolut mutta ei vaurioita terveitä soluja : Syöpäsolut ovat säteilylle herkempiä kuin terveet solut tavoite: Solujen lkm Sädetykset Syöpäsolut Terveet solut Aika Sädehoito voi olla palliatiivista (mm. kipua lievittävää) tai kuratiivista (parantavaa; tavoitte) 1

2 Hoidon suunnittelussa valitaan: Hoitomuoto Säteilylaji (röntgen, γ, β, α,neutroni) Sädetysannos/ määrä ja fraktiointi Kohdistus kuvantaminen, matemaattinen mallintaminen, simulointi (tarvitaan sairaalafyysikkoa) Eri energian omaavien säteilykvanttien erilaista absorptiota eri etäisyyksille kudoksissa voidaan käyttää hyväksi hoidon kohdistamisessa kehon pintakerrosten sijasta syvälle elimistöön kohdistus helpompaa hiukkasilla, vaikeampaa fotonisäteilyllä (kudoksien heterogeenisyys : solutiheys vaihtelee) ongelmana siroavien elektronien/sekundaarisäteilyn kantaman vaihtelu ulkoinen säteilytys tai säteilevä implantti (brakyterapia) 3 Keskitys: vähemmän säteilyä muualle Säteilyn vaikutuksia kuvataan usein ns. eloonjäämiskäyrällä tai perinteisesti annosvasteella S Ataksia-teleangiektasia tauti (sädeherkät yksilöt) Eloonjäämiskäyrä; eloonjäämisosuus (S) säteilyannoksen (kerta annos) funktiona sädeherkkyydeltään erilaisilla ihmisillä. Solujen määrän laskeminen suoraan kudoksesta ei onnistu: laskeminen tehdään in vitro kokeissa soluviljelmissä Eloonjäämisosuus:, missä N = säteilytyksen jälkeen eloon jäävien solujen lkm ja N 0 = alkuperäinen solujen lkm Solujen eloonjäämiskäyrissä on suurta vaihtelua: S N N yksilöllisesti kudostyypeittäin säteilytyypeittäin annosnopeuden funktiona 0 4 2

3 Solujen/kudoksen sädeherkkyyden riippuvuus säteilylajista: = S D q kuvaa käyrän kaaren leveyttä ts. sitä annos aluetta, jossa vaikutus vähäinen (miksi??) J on käyrän alun ja K lopun kulmakerroin K Käyrän laskunopeuden mitta on D 0 (eli annosväli, jolla S pienenee 1/e:teen osaan) D = Huom. Y akselilla voi olla myös joku muu säteilyn vaikutusta kuvaava suure; esim. mitoositiheys (tällöin y:llä voi olla arvoja >1) 5 Eloonjäämiskäyrän mallinus matemaattisesti (useita mahdollisuuksia) Lineaari neliöllinen (LQ) malli kliinisesti käyttökelpoisin malli (parametrit tunnetaan hyvin useille kudoksille koostuu annoksen suhteen lineaarisesta (single hit, single target) ja neliöllisestä (two hits, single target) komponentista eloonjäämisosuus (S) on siis muotoa: 2 ( D D ), missä S e α = käyrän lineaarisen alkuosan parametri (kulmakerroin) kuvaa siis lineaarisesti annoksen funktiona kasvavaa vauriota pienillä annoksilla vaurioiden kertymistä ei juurikaan tapahdu (MIKSI?) β = käyrän laskunopeus annoksen kasvaessa kuvaa kertyviä vaikutuksia ja n suhde tunnetaan monille solutyypeille: useimmilla kasvaimilla suhde 8 Gy 6 3

4 Sädeherkkyys: Herkkyys ionisoivalle säteilylle vaihtelee: Ihmisten ja kunkin ihmisen eri kudosten välillä (annokset Gy) Solujen välillä: esim syöpäsolut versus terveet solut tai syöpäsolut keskenään Sädeherkkyyteenvaikuttavat : Solujen/yksilöiden genettiset erot (tärkein) Ulkoiset tekijät: Kasvaimen koko ja sijainti, hapen määrä, kasvutekijät, hormonaalinen säätely, happo emäs tasapaino, ravinteet, jne. Voidaan arvioida erilaisin tutkimustekniikoin (esim. radioakt. yhdisteet, vastaaineet jne): näiden kliininen käyttö on kuitenkin vähäistä Sädehoidon onnistumiseen vaikuttaa neljä säteilybiologista tekijää eli 4 R:än sääntö jotka pyritään huomioimaan hoidossa: 1) reoksigenaatio (solujen hapetuksen kasvu) 2) repair (solun kyky korjata säteilyn aiheuttamia vaurioita) 3) redistribuutio (solujen jakautumisvaiheen muutos) 4) repolulaatio (solujen lisääntyminen, korvaa kuolleita soluja: terveet solut erityisesti) 7 1. Reoksigenaatio OER = oxygen enhancement ratio eli ns. happikerroin (ks. myös ed. luento) hapen läsnäolo tehostaa/stabiloi säteilyn aiheuttamassa veden radiolyysissäsyntyneidensyntyneiden radikaalien vaikutusta röntgen, γ ja muut fotonit vaikuttavat radikaalien muodostuksen kautta ja niinpä niiden OER on 2,5 3 α ja β säteily ionisoivat suoraan makromolekyylejä: niillä OER on vain hieman yli 1, neutronisäteilyllä n. 1,6 Annoksesta ja annosnopeudesta riippumaton vaikutus Happi diffuntoituu huonosti kudoksiin: n. 100 m verisuonesta määrä vähäinen Osa kasvainsoluista hypoksisia ja eivät kuole samalla sädeannoksella kuin runs. happea sisältävät solut Kasvainten hapetusta on yritetty monin keinoin parantaa ennen sädetystä (Hb, puhdas happi), mutta toistaiseksi tulokset ovat olleet vähäisiä tai ristiriitaisia 8 4

5 2. Repair Kudoksissa hitaasti kasvavat solut (esim. hermosolut) korjaavat vaurioita hitaasti Nopeasti kasvavien kudosten (iho, limakalvot, luuydin) solut korjaavat vaurioita nopeammin, mutta jakautuvat vielä sitäkin nopeammin eivät ehdi korjata Fraktiointi:useita pieniä annoksia Nisäkässoluviljelmän eloonjäämisosuus kerta annoksen funktiona: Fraktiointi säästää hitaasti korjauvia soluja Terve kudos: sädetyksen fraktioiden väliajan pitäisi olla vähintään n. 4 8 h, jotta korjausmekanismit ehtineet toimia soluviljelmissä n. 2 h riittävä 9 3. Redistribuutio Sädetyksen (tms. vaurion) jälkeen henkiin jääneet solut jakautuvat uudelleen solusyklin eri vaiheisiin Solusyklin vaihe vaikuttaa merkittävästi solujen sädeherkkyyteen: mitoosivaiheessa on suurin sädeherkkyys myös G1 ja G2 välivaiheiden loppuosat ( tarkastuspisteet ) ovat lähes yhtä herkkiä Mitoosi Apoptoosi G0 vähäisin sädeherkkyys on synteesivaiheen ih (S) loppupuolella lähes yhtä vastustuskykyisiä säteilylle ovat G0 vaihe ja G1 vaiheen alkupuoli G2 S G1 10 5

6 Eloonjäämisosuus annoksen funktiona eri solusyklin vaiheissa Mitoosivaihe herkin: mitoottisia soluja n. 10% terveessä kudoksessa (soluviljely), syöpäkasvaimessa enemmän Eloonjäämiskäyrä on (lähes) suora: Herkin vaihe (M) on noin 2,5 (katkoviiva kuvassa) herkempi kuin vastutuskykyisin vaihe (LS) Eri solusyklin vaiheessa olevia soluja tuhoutuu sädetyksellä suhteellisesti eri määrä sädetys muuttaa eri syklin vaiheessa olevien solujen jakaumaa Eloonjäämisosuus annoksen funktiona eri soluvaiheille. ES = varhainen S vaihe LS = myöhäinen S vaihe Kliininen hyödyntäminen: Solujen synkronoinnilla (kokeiltu lääkkeillä, sädettämällä) ei ole todettu kliinisesti merkittävää vaikutusta Sädetysväliaika? Repopulaatio: kudoksen korjaus uusilla soluilla Eloonjääneet solut alkavat lisääntyä nopeammin kuin ennen sädetystä G0 vaiheen solut palaavat normaaliin solukieretoon Solusykli nopeutuu sekä normaalisoluissa että osalla kasvainsoluja Tapahtuu sekä kasvaimissa että terveessä kudoksessa > Selittaa osan ns. säderesistenssistä Sädetyksen kokonaisaika vaikuttaa repopulaation määrään korkea annosnopeuksinen sädetys: repopulaatiota ei tapahdu annoksen laskiessa ja ajan pidentyessä vaikutus/teho laskee: tähän syynä 1) ns. subletaalivaurioiden korjaus (eri mekanismit) 2) solujen repopulaatio (vaikuttaa kasvaimen kokoon) > Annoksen lisääminen hodon loppuvaiheessa 12 6

7 Taulukko: Sädehoidossa käyettyjä keinotekoisia sädeherkkyyttä muuttavia tekijöitä (ks. tarkemmin; Kliininen Säteilybiologia, ss ) 13 Annosnopeus sädehoidossa Tärkeä tekijä kudosten/kasvainten sädehoitovasteiden määräytymisessä Tyypillinen kliinisessä käytössä n. 1 5 Gy/min Solut kestävät tämän säteilyn vaikutusajan juurikaan vahingoittumatta Huom. Erittäin matala annosnopeus vahingoittaa lähinnä soluja, joilla solusykli on pitkä (ns. kumuloituva vaikutus) > 12 Gy/h > 0,4-2 Gy/h 14 7

8 repopulaatio repoksigenaatio redistribuutio ib ti repair Myös terveiden kudosten korjautuminen fraktioidussa sädehoidossa perustuu näihin samoihin tekijöihin hoidon optimoinmiseksi tulisi tuntea sekä kasvaimen että normaalikudoksen sädeherkkyydet ja eloonjäämiskäyrät tuloksekas sädehoito on kaikki edellä kuvatut huomioonottava kompromissi, jonka perusteella määräytyy: kokonaisannos, kerta annos, fraktioiden määrä, fraktioiden väliaika ja hoitoalueen laajuus 15 Sädehoidon fraktiointi Kehittyi alunperin kokeellisen kliinisen työn tuloksena Kasvainten säteilytys tehdään osissa tietyin aikavälein (ei siis kerta annoksena) Oletetaan, että fraktioiden vaikutus on toisistaan riippumatonta, ja että kokonaisannos D on jaettu N:ään fraktioon fraktion koko eli fraktioannos d = D/N Tällöin yhdistetty malli antaa: S e 1 (1 e ) Jd Kd n Eniten käytetty LQ malli puolestaan tuottaa yhtälön: 2 ( d d ) N S ( e ) Nd ( d ) e e e D( d) E 16 N 8

9 Tästä saadaan kliinisessä käytössä oleva suure BED (biologically effective dose): E d BED D(1 ) / eli BED = kokonaisannos x efektiivisyys tämä voidaan lineaarisoida eli BED:n avulla voidaan arvioida tarvittavia fraktioannoksia lineaarisesti: d 1/D [Gy 1 D BED BED / ] suora, joka kuvaa kokonaisannoksen (käänteisarvon) fraktioannoksen funktiona jos BED ko. kasvaintyypille tunnetaan, tarvitaan siis vain suhde / ja voidaan suoran avulla määrittää haluttua kokonaisannosta vastaava fraktiokoko d [Gy] Esim. BED = 100 Gy / = 3 Yleinen kliininen käytäntö: d = 2 Gy, D = Gy (6 7 viikon aikana) 17 Säteilysuojelu ja valvonta: Säteilytoiminnan turvallisuusperiaatteet Säteilysuojelun tavoitteena on ihmisten, yhteiskunnan,ympäristön ja tulevien sukupolvien suojelu säteilyn haitallisilta vaikutuksilta kuitenkaan tarpeettomasti rajoittamatta hyväksyttävää säteilynkäyttöä tai säteilyllealtistavaatoimintaa toimintaa Säteilylain 2 :n mukaan säteilyn käyttö ja muu säteilytoiminta on hyväksyttävää, kun se täyttää seuraavat vaatimukset: 1. toiminnalla saavutettava hyöty on suurempi kuin toiminnasta aiheutuva haitta (oikeutusperiaate) 2. toiminta on siten järjestetty, että siitä aiheutuva terveydelle haitallinen säteilyaltistus pidetään niin alhaisena kuin käytännöllisin toimenpitein on mahdollista (ALARA = As Low As Reasonably Achievable) 3. yksilön säteilyaltistus ei ylitä asetuksella vahvistettuja enimmäisarvoja (yksilönsuojaperiaate, annosrajat). Säteilyä ja sen käyttöä säätelee Säteilylaki ja asetus, Säteilyturvakeskus (STUK) valvoo 9

10 Säteilyn käytön valvonta ionisoivan säteilyn käyttöön vaaditaan yleensä turvallisuuslupa (haettava: luvan myöntää säteilyturvakeskus) ennen lupapäätöksen tekemistä hakijan on osoitettava, että säteilyn käyttöpaikka, säteilylähteet ja suojavarusteet ovat turvallisuusvaatimusten mukaiset käyttöpaikalla on oltava turvallisuudesta vastaava johtaja ja pätevä henkilöstö Annosvalvonta Säteilylain mukaan säteilylle työssään altistuvien henkilöiden terveydentilaa ja säteilyannoksia on seurattava Säteilyasetuksessaon annettu säteilyn enimmäisarvot, joita eisaaylittää: Säteilytyöstä työntekijälle aiheutuva efektiivinen annos ei saa ylittää keskiarvoa 20 msv vuodessa viiden vuoden jaksoissa, eikä minkään vuoden aikana arvoa 50 msv. Käytäntö: henkilökohtaisen säteilyannoksen seuranta työntekijöiden säteilyaltistusta seurataan henkilökohtaisilla annosmittareilla yleisimmin käytössä dosimetri (kuva) tietojen perusteella voidaan määrittää työntekijän kokonaisaltistus ja valvoa, ettei säädettyjä annosrajoja ylitetä (myös jos työskentelee ulkomailla) (kirjauskynnys) käytettävä aina kun työskennellään säteilylähteiden lähellä Dosimetri Säteilyturvakeskuksen annos mittauspalvelu (Doseco OY) mittaa työntekijöiden henkilökohtaista altistumista säteilylle Mittarit vaihdetaan kolmen kuukauden välein Annokset tallennetaan annosrekisteriin (STUK, lakisääteinen) Todistus myös toimipaikalle: henkilökohtaiset mittausarvot 10

11 Työpaikan säteilysuojaus radioisotoopeilla työskenneltäessä on tärkeää ymmärtää käytettävän säteilyn ulottuvuus ja läpäisevyys tietää miten suojautua säteilyltä altistus riippuu ajasta pyri suorittamaan säteilytyö nopeasti altistus riippuvainen etäisyydestä: etäisyyden kaksinkertaistaminen säteilylähteeseen laskee annosnopeuden neljännekseen säteilylaji läpäisevyys suojaus ilma vesi I 125* 400 cm 5 cm 0,02 mm lyijy ** P cm 08cm 0,8 1 cm pleksilevy C cm 0,28 cm 3 mm pleksilevy H 3 6 mm 6x10 3 mm S cm 0,32 mm 3 mm pleksilevy *30 kev röntgensäteet (ilmassa ja vedessä). I 125:n arvot lähellä ko. arvoja. ** gammasäteily SÄTEILYLABORATORIO (ks. ohje ST 6.1) Laboratoriotyyppi määräytyy käsiteltävän radioaktiivisuuden määrän mukaan Laboratoriotyyppi C-tyyppi B-tyyppi A-tyyppi Kerralla käsiteltävä enimmäisaktiivisuus 10 kertaa vapaaraja *) 10 4 kertaa vapaaraja *) Suurempi kuin 10 4 kertaa vapaaraja *) *) Ohjeessa ST 1.5 annettu aktiivisuuden määrä Laboratoriotyypin määräytyminen kerralla käsiteltävän aktiivisuuden perusteella. Jos työn laatu poikkeaa tavanomaisesta kemiallisesta käsittelystä, taulukossa 1 esitettyjä aktiivisuusrajoja sovelletaan siten, että ne kerrotaan työn säteilyvaarallisuudesta johdetuilla muuntokertoimilla. Eri toiminnoille käytetään seuraavia muuntokertoimia: Radioaktiivisten nesteiden varastointi 100 Nesteiden yksinkertainen käsittely 10 Erityisen riskialtis työ, jossa on roiskumisen 0,1 tai haihtumisen vaara (esimerkiksi eläinkokeet, nesteiden monimutkainen käsittely, kuivan aineen käsittely) 11

12 Radioaktiivisen jätteen luokitus: Kyseessä ei ole radioaktiivinen jäte, jos jätteen aktiivisuuskonsentraatio on enintään Kiinteä jäte: tai säteily y < 10 kbq/kg säteily <1 kbq/kg, Nestetuikeliuokset: Radioaktiiviset liuokset: < 10 Bq/ml eikä mukana ole a säteilijöitä < 100 Bq/ml eikä mukana ole muita kuin H 3 ja C 14 Yhdellä kertaa viemäriverkkoon päästettävä aktiivisuus < 2,5 ALI min tai < 100 MBq Kuukauden aikana voidaan viemäriin päästää aktiivisuutta < 25 ALI min Vuodessa voidaan viemäriin päästää aktiivisuutta < 100 GBq Mikäli rajat alittuvat, jäte voidaan käsitellä normaalina laboratoriojätteenä. Tällöin on poistettava tai mitätöitävä kaikki säteilyvaaraa osoittavat merkinnät JÄTTEIDEN KÄSITTELY (esim): Kertapääston osalta ehto Kuukausipäästön osalta ehto Radionuklidi ALI min Bq H-3 1 x 10 9 A k = radionuklidin k aktiivisuus, ALI min kyseisen nuklidin pienin vuosisaantoraja P-32 6 x 10 6 S-35 2 x 10 7 I x 10 6 C-14 3 x 10 7 Esim: Jätevesisäiliössä on isotooppia P MBq ja C MBq. Voidaanko säiliö tyhjentää yleiseen viemäriverkkoon? Eräiden radionuklidien ALI min arvoja: ks ST x 10 6 / 6 x x 10 6 /3 x 10 7 = 16,7 + 1,7 = 18,3 ALI Vast: säiliö voidaan tyhjentää pienissä erissä kuukauden aikana (vähintään 8 erässä) 12

13 Päästöt ilmaan Enimmäiskonsentraatio (MAC, Bq/m 3 ) päästöaukon välittömässä läheisyydessä on 1/100 säteilytyöntekijän hengitysilmalle johdetusta konsentraatiorajasta (DAC, Bq/m 3 ). Säteilytyöntekijä voi työskennellä ko. nuklidille asetetussa pitoisuudessa 2000 tuntia ilman että annosraja (20 msv) ylittyy DAC arvon laskeminen Missä ALI on radionuklidille laskettu vuosiannosraja (Bq) V on hengitetty ilmamäärä (2000 tunnissa 2400 m 3 ) Radionuklidin vuosisaantiraja ALI lasketaan kaavasta Missä D AL on efektiivisen annoksen vuosiannosraja (Sv) (säteilytyöntekijälle 20 msv) h on ko. nuklidin annosmuuntokerroin (Sv/Bq) ESIM: Laske I 125:n pitoisuudelle enimmäisraja päästöaukon läheisyydessä I 125:n annosmuuntokerroin (ST 7.3 taulukko C1, partikkelikoko 5 µm) = 7,3 x 10 9 (Sv/Bq) I 125:lle ALI= 0,02 Sv / 7,3 x 10 9 Sv/Bq = 2,74 MBq DAC= 2,74 x 10 6 Bq /2400 m 3 = 1142 Bq/m 3 enimmäiskonsentraa o MAC päästöaukolla 1/100 x DAC = 1/100 x 1142 Bq/m 3 = 11 Bq/m 3 Jos ilmaan pääsee useita eri radionuklideja päästön on täytettävä ehto: Missä Ck on päästöstä aiheutuva radionuklidin k aktiivisuuskonsentraatio (Bq/m 3 ) MACk on ko. nuklidin päästön enimmäiskonsentraatio (DAC/100) 13