J.B. Pełka: Promieniowanie synchrotronowe w biologii i medycynie /Synchrotron Radiation in Natural Science Vol. 6, No. 1-2 (2007)ne tzw. synchrotronów kompaktowych i innych względnieniewielkich źródeł promieniowania rtg. o własnościachzbliżonych do wiązek SR, lecz o nieco mniejszej jasności,przeznaczonych do instalacji w większych szpitalach i laboratoriach,gdzie służyłyby m. in. do radiodiagnozy i radioterapii.Sukcesy osiągnięte w przedklinicznej fazie badań nowychmetod diagnostycznych, jak MRT czy PAT spowodowaływzrost zainteresowania możliwie najsilniejszymiźródłami rentgenowskiego promieniowania synchrotronowego,pracującymi w zakresie energii fotonów powyżej100 keV. Mają one zasadnicze znaczenie dla prowadzeniaza pomocą synchrotronu badań klinicznych. Na przykład,nowo projektowane źródła dla synchrotronów NSLS orazNSLS II będą emitować wiązki o energii powyżej 150 keV(celem zwiększenia długości penetracji promieniowania)i o natężeniach pozwalających osiągać moce dawek powyżej2000 Gy/s. Dzięki temu dawkę terapeutyczną, (rzędu200 Gy dawki wejściowej) będzie można dostarczyćw ułamku sekundy, szybciej niż jeden cykl pracy serca. Dlaporównania, działające obecnie źródło na wiązce X17B1synchrotronu NSLS emituje wiązkę o mocy dawki około40 Gy/s przy energii krytycznej 12 keV.Stosowanie coraz silniejszych i o wyższej energii krytycznejźródeł synchrotronowych pozwoli również na zastosowanietechniki kontrastu fazowego, jak np. DEI doobrazowania obiektów tak dużych jak ludzka głowa w rozsądniekrótkim czasie, np. w trybie CT, przy zastosowaniuwiązek o energii ok. 60 keV.Spośród innych metod radioterapii synchrotronowejwymienić należy również tomoterapię. Polega ona nawprowadzeniu do guza znacznika w połączeniu z napromieniowaniemwiązką promieni rentgenowskich o niezbytdużej energii, rzędu 50-100 keV, podczas obrotu obiektuw wiązce. Molekuły znacznika są przepuszczane przezosłabioną barierę krew-mózg sieci naczyniowej guza. Użycieznacznika zawierającego jod podwyższa skutecznośćdawki dzięki zwiększonej absorpcji przez ciężkie atomyznacznika ulokowane w guzie.Eksperymentów przedklinicznych z oczywistych przyczynnie wykonuje się z udziałem ludzi, lecz przeprowadzasię je z reguły na zwierzętach. Szczególnie ważne jest więczachowanie jak najwyższych standardów nie tylko naukowych,lecz również etycznych. Na synchrotronowych liniachbiomedycznych służy temu odpowiednia organizacjapracy i konstrukcja pomieszczeń pozwalająca prowadzićeksperymenty w dobrych warunkach, tak dla obiektów badań,jak i dla badaczy.3.4. Adaptacja metod synchrotronowych do pracy ze źródłamikonwencjonalnymiPrzydatność metod klinicznych jest silnie skorelowanaz ich dostępnością i niezawodnością w codziennej praktycelekarskiej. W przypadku metod radiologii pożądane jest,by technika diagnozy czy terapii mogła być zastosowana zapomocą standardowych, dostępnych w handlu generatorówrentgenowskich, ponieważ nie jest możliwe powszechnestosowanie synchrotronowych źródeł o wysokiej jasnościw środowisku szpitalnym, ani też transport wszystkich pacjentówdo ośrodków synchrotronowych.Niektóre z metod opracowanych pierwotnie na synchrotronmożna przystosować do działania z nieco zmodyfikowanymikonwencjonalnymi źródłami laboratoryjnymi.Jednym z przykładów jest tu tomografia komputerowaz kontrastem fazowym PC-CT (Phase Contrast ComputerTomography). Stosując interferometry siatkowe i konwencjonalnygenerator rentgenowski, można uzyskać radiograficzneobrazy fazowo-kontrastowe o dobrej jakościstatycznych obiektów biologicznych [27]. Korzystając z tomograficznychobrazów warstwowych otrzymanych tą metodą,dokonano niedawno trójwymiarowej rekonstrukcjidużego szerszenia. Uwidocznione szczegóły wewnętrznejstruktury owada charakteryzowały się zaskakującą przejrzystościąi wysoką rozdzielczością [28]. Prowadzi się takżeprace nad zastosowaniem radioterapii MRT+PAT z silnymiźródłami konwencjonalnymi.4. PodsumowanieWykorzystanie promieniowania synchrotronowego w biologiii medycynie obejmuje dzisiaj szeroki zakres zagadnień,od badań podstawowych aż do prób klinicznych.W ostatnich latach punkt ciężkości zastosowań SR wyraźnieprzesuwa się od badań czysto poznawczych w kierunkuprzedklinicznych i klinicznych aplikacji wykonywanychna żywych organizmach zwierząt i ludzi.Promieniowanie synchrotronowe oferuje ulepszonemetody badawcze, pozwalając lepiej wniknąć w mechanizmyprocesów życiowych leżących u podstaw fizjologiii patologii roślin, zwierząt i ludzi. Pozwala opracować bardziejwydajne i niosące mniej skutków ubocznych sposobydiagnozy i terapii. Szczególnie obiecujące są tu rezultatyw dziedzinie diagnostyki i terapii nowotworów centralnegoukładu nerwowego. W przypadku niektórych schorzeńnowotworowych wykazano, że synchrotronowe metody radioterapiidają najlepsze szanse wyleczenia spośród wszelkichinnych metod.Podziękowania: Praca zostala wykonana częściowo w ramachgrantu Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego SPB nrDESY/68/2007.Literatura[1] R. Meuli, Y. Hwu, J.-H. Je., G. Margaritondo, “Synchrotronradiation in radiology: radiology techniques based on synchrotronsources”, Eur. Radiol. 14 (2004) 1550-560.[2] Tabelę opracowano, korzystając z: J.H. Hubbell, S. M. Seltzer,Tables of X-Ray Mass Attenuation Coefficients and MassEnergy-Absorption Coefficients from 1 keV to 20 MeV for ElementsZ = 1 to 92 and 48 Additional Substances of DosimetricInterest, NIST, http://physics.nist.gov/PhysRefData/XrayMassCoef/cover.html.[3] TESLA Technical Design Report, Part V, The X-ray Free ElectronLaser, Eds: G. Materlik, Th. Tschentscher (DESY, Hamburg,March 2001).[4] A. Kisiel, “Synchrotron jako narzędzie: zastosowania promieniowaniasynchrotronowego w spektroskopii ciała stałego,Synchrotr. Radiat. Nat. Sci. 5 (2006) 145-167.[5] Canadian Light Source Activity Report 2001–2004, Ed.: M.
J.B. Pełka: Promieniowanie synchrotronowe w biologii i medycynie /Synchrotron Radiation in Natural Science Vol. 6, No. 1-2 (2007)Dalzell, CLS Document No. 0.18.1.2, (Canadian Light SourceInc. 2005), http://www.lightsource.ca/.[6] J.W. Boldeman, D. Einfeld, “The physics design of the Australiansynchrotron storage ring”, Nucl. Instrum. Meth.Phys. Res. A 521 (2004) 306-317.[7] R.A. Lewis, “Medical applications of synchrotron radiationin Australia”, Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. A 548 (2005)23-29.[8] A. Bravin, R. Noguera, M. Sabés, J. Sobrequés, ALBA BiomedicalBeamline (ABME). A Proposal for the ALBA S.A.C.(Barcelona 2004).[9] PETRAIII: A Low Emittance Synchrotron Radiation Source.Technical Design Report, Executive Summary, Eds.: K. Balewski,W. Brefeld, W. Decking, H. Franz, R. Röhlsberger, E.Weckert (DESY, Hamburg 2004).[10] NSLS-II Conceptual Design Report (Brookhaven NationalLaboratory, 2006).[11] Scientific evaluation of the MAX IV proposal,Vetenskapsrådets Rapportserie 20:2006 (Stockholm 2006).This report can be obtained at www.vr.se/publikationer.[12] M. Eriksson, B. Anderberg, I. Blomqvist, M. Brandin, M.Berglund, T. Hansen, D. Kumbaro, L.-J. Lindgren, L. Malmgren,H. Tarawneh, S. Thorin, M. Sjöström, H. Svensson,E. Wallén, S. Werin, “Status of the MAX IV light sourceproject”, Proc. of EPAC 2006 (Edinburgh, Scotland), pp.3418-3420.[13] G. Falzon, S. Pearson, R. Murison, C.J. Hall, K.K.W. Siu,A. Evans, K.D. Rogers, R.A. Lewis, “Wavelet-based featureextraction applied to small angle X-ray scattering patternsfrom breast tissue: a tool for differentiating between tissuetypes,” Phys. Med. Biol. 51 (2006) 2465-2477.[14] W-R. Dix, “Intravenous coronary angiography with synchrotronradiation”, Prog. Biophys. Molec. Biol. 63 (1995)159-191.[15] Y. Sugishita, S. Otsuka, Y. Itai, T. Kakeda, M. Ando, K.Hyodo: „Synchrotron radiation coronary angiography andits application”, Abstracts of 10th. meeting of the Jap. Soc.for Synchrotron Radiation Research (1997) p. 1.[16] T. Dill, W.-R. Dix, C.W. Hamm, M. Jung, W. Kupper, M.Lohmann, B. Reime, R. Ventura, “Intravenous coronaryangiography with synchrotron radiation”, Eur. J. Phys. 19(1998) 499-511.[17] W.-R. Dix, W. Kupper, T. Dill, C.W. Hamm, H. Job, M. Lohmann,B. Reime, R. Ventura, “Comparison of intravenouscoronary angiography using synchrotron radiation withselective coronary angiography”, J. Synchrotr. Radiat. 10(2003) 219-227.[18] H. Elleaume, S. Fiedler, F. Estève, B. Bertrand, T. Brochard,A.M. Charvet, P. Berkvens, G. Berruyer, T. Brochard, G. LeDuc, C. Nemoz, M. Renier, P. Suortti, W. Thomlinson, J.F.Le Bas, “First human transvenous coronary angiography atthe European Synchrotron Radiation Facility”, Phys. Med.Biol. 45 (2000), L39-L43.[19] T. Takeda: “Phase-contrast and fluorescent X-ray imagingfor biomedical researches”, Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res.A 548 (2005) 38-46.[20] F. Arfelli, “Recent Development of Diffraction EnhancedImaging”, AIP Conference Proceedings vol. 630 (2002) pp.1-10.[21] A. Abrami, F. Arfelli, R.C. Barroso, A. Bergamaschi, F. Bille,P. Bregant, F. Brizzi, K. Casarin, E. Castelli, V. Chenda,L. Dalla Palma, D. Dreossi, C. Fava, R. Longo, L. Mancini,R.-H. Menk, F. Montanari, A. Olivo, S. Pani, A. Pillon, E.Quai, S. Ren Kaiser, L. Rigon, T. Rokvic, M. Tonutti, G.Tromba, A. Vascotto, C. Venanzi, F. Zanconati, A. Zanetti,F. Zanini, “Medical applications of synchrotron radiationat the SYRMEP beamline of ELETTRA”, Nucl. Instrum.Meth. Phys. Res. A 548 (2005) 221-227.[22] C. Venanzi, A. Bergamaschi, F. Bruni, D. Dreossi, R. Longo,A. Olivo, S. Pani, E. Castelli, “A digital detector for breastcomputed tomography at the SYRMEP beamline”, Nucl.Instrum. Meth. Phys. Res. A 548 (2005) 264-268.[23] E. Castelli, F. Arfelli, D. Dreossi, R. Longo, T. Rokvic,M.A. Cova, E. Quaia, M. Tonutti, F. Zanconati, A. Abrami,V. Chenda, R.H. Menk, E. Quai, G. Tromba, P. Bregant,F. de Guarrini, “Clinical mammography at the SYRMEPbeam line”, Nucl. Instrum. Meth. in Phys. Res. A 572 (2007)237-240.[24] A. Norman, M. Ingram, R.G. Skillen, D.B. Freshwater, K.S.Iwamoto, T. Solberg, “X-Ray Phototherapy for canine brainmasses”, Radiat. Oncol. Investig. 5 (1997) 8-14.[25] H.T. Rose, A. Norman, M. Ingram, C. Aoki, T.D. Solberg,A. Mesa, “First radiotherapy of Human metastatic braintumors delivered by a computerized tomography scanner(CTRx)”; Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys. 45 (1999) 1127-1132.[26] A. Laissue, H. Blattmann, M. Di Michiel, D.N. Slatkin,N. Lyubimova, R. Guzman, W. Zimmermann, S. Birrer,T. Bley, P. Kircher, R. Stettler, R. Fatzer, A. Jaggy, H.M.Smilowitz, E. Brauer, A. Bravin, G. Le Duc, C. Nemoz, M.Renier, W. Thomlinson, J. Stepanek, H.-P. Wagner, in MedicalApplications of Penetrating Radiation, H.B. Barber, H.Roehrig, F.P. Doty, R.C. Schirato, E.J. Morton (Eds.), Proceedingsof SPIE vol. 4508 (2001), pp. 65-73.[27] F. Pfeiffer, T. Weitkamp, O. Bunk, C. David, “Phase retrievaland differential phase-contrast imaging with lowbrillianceX-ray source”, Nature Phys. 2 (2006) 258-261.[28] F. Pfeiffer, O. Bunk, C. Kottler, C. David, “Hard X-rayphase tomography with low-brilliance sources”, Phys. Rev.Lett. 98 (2007) 108105.