Albert Einstein im Rasterscan-Verfahren

Von gescannten Rastern und wechselnden Intensitäten

Die TV-Röhre arbeitet nach dem selben Prinzip wie die Teilchentherapie, allerdings bleibt die Ionenbestrahlung nicht auf der Oberfläche, sondern arbeitet fein abgestuft im Dreidimensionalen.

Lesen Sie im vorigen Teil der Serie über die physikalischen Grundlagen der Schwerionenbestrahlung und die Entwicklung dieser Therapieform.

Intensitätsmodulierte Teilchentherapie mit dem Rasterscan-Verfahren

Zeichnung: Ein roter Strahl von links nach rechts durchläuft zwei Paare von plattenförmigen magnetischen Ablenkern, das erste Paar oben und unten lenkt horizontal ab, das zweite Paar links/rechts lenkt vertikal ab; rechts ist als Ziel ein klumpenförmiger Tumor skizziert, darin vertikale Schnittebenen. Die erste, entferntest liegende Schicht empfängt die höchste Energie, die letzte, nächstliegende Schicht die niedrigste Energie.
Prinzip des Rasterscan-Verfahrens

Da Ionen geladene Teilchen sind, lassen sie sich mit Magnetfeldern ablenken. Im Prinzip entspricht das so genannnte „Rasterscan-Verfahren“ dem Entstehen eines Fernsehbildes per Elektronenstrahl auf dem Bildschirm. Das Bild wird in Zeilen und Spalten zerlegt und der Strahl über die Bildpunkte (Pixel) einer Zeile gefahren und je nach gewünschter Helligkeit in der Intensität moduliert. Auch beim Ionenstrahl setzt man heute nicht mehr auf eine passive Strahlaufweitung, sondern nutzt ein aktives Verfahren mit seitlicher magnetischer Ablenkung und präziser Energievariation im Beschleuniger. Dazu wird das Zielvolumen – der Bereich des Tumors – rechnerisch in Schichten gleicher Teilchenreichweite zerlegt und für jede Schicht die entsprechende Energie vom Synchrotronbeschleuniger eingestellt.

Eine recht unscharfe Version eines berühmten schwarz-weißen Einstein-Porträts mit herausgestreckter Zunge; die grauen Flächen setzen sich erkennbar aus groben Punkten zusammen.
Strahlablenkung wie im Fernsehgerät

Für jede Schicht wird die zu bestrahlende Fläche mit einem Netz von Pixeln belegt. Diese tastet der Strahl dann rasterförmig ab und bestrahlt jeden Punkt mit einer individuellen vorausberechneten Teilchenzahl. Da bei der Bestrahlung der tieferen Schichten die davor liegenden Schichten teilweise bestrahlt werden, muss diese „Vorbestrahlung“ in den mittleren und vorderen Schichten berücksichtigt werden. Das neue Bestrahlungsfeld ist daher nicht homogen. Wenn man zusätzlich die Variation der biologischen Wirksamkeit berücksichtigt, wird eine extrem inhomogene Teilchenbelegung pro Schicht erforderlich, um insgesamt eine homogene Verteilung des biologischen Effektes über den gesamten Tumor zu erreichen.

Durch die Variation der Strahl-Energie lässt sich die bestrahlte Fläche in der Tiefe verschieben und damit ein dreidimensionales Gebilde wie ein Tumorvolumen exakt „ausleuchten“. Selbst kritische Organe, die von einem Tumor ganz oder teilweise eingeschlossen sind, können durch die intensitätsmodulierte Ionentherapie ausgespart oder zumindest mit einer stark reduzierten Dosis belegt werden. Dies ist häufig bei Tumoren um den Hirnstamm im Schädelbasisbereich der Fall.

Auf dunkelblauem Hintergrund ein Gitter aus 8x8 Feldern, darin nacheinander die einzelnen Schnittschichten durch einen Tumor, von oben nach unten; links oben kleiner weißer Punkt, der Feld für Feld immer größer und hellgrün wird und nach unten rechts wieder zu weißen Punkten schrumpft. In der oberen rechten Ecke die Nahaufnahme eines Einzelfeldes, die Fläche des Tumors ist aus kleinen, weiß gefüllten oder ungefüllten Kreisen dargestellt.
Tiefenschichten eines Tumors

Mit dem Rasterscan-Verfahren lässt sich die Dosis im Hirnstamm weit unter der Toleranzdosis halten. Wird eine kritische Struktur teilweise oder ganz von einem Tumor umschlossen, ist es sinnvoll, Teilchenbahnen durch die kritische Struktur hindurch zu vermeiden und die Dosis von der jeweils gegenüberliegenden Seite zu einzubringen. Im Allgemeinen reichen zwei oder drei Einstrahlrichtungen aus, um einen optimalen Aussparungseffekt zu erreichen. Die Dosisanteile aus den verschiedenen Richtungen sind dann extrem inhomogen, ergeben aber insgesamt einen homogenen Effekt. Durch diese intensitätsmodulierte Ionentherapie (Intensity Modulated Particle Therapy, IMPT) erhält man eine optimale Übereinstimmung des bestrahlten Volumens mit dem Zielvolumen und eine maximale Schonung kritischer Strukturen auch innerhalb des Zielvolumens.

Zwei identische Ausschnitte eines Röntgenbilds, überlagert mit den bunten Flächen der Bestrahlungsintenisät, das jeweils große rote Zentrum wird umgeben von schmalen orangen, gelben und grünen Kreisflächen; die hell- und dunkelblauen Flächen noch weiter außen formen ein grobes Kreuz. Auf dem linken Bild sind der rotgelbe Bereich kreisförmig und das blaue Kreuz recht glatt geformt, auf dem rechten Bild wirkt beides ausgefranst und bedeckt mehr Fläche.
Vergleich eines Bestrahlungsplans mit Kohlenstoff-Ionen und mit Protonen

Ein weiterer wichtiger Parameter ist in vielen Fällen die Steilheit des Dosisabfalls zwischen dem Zielvolumen und einem kritischen Organ (siehe Abbildung). Im Vergleich wird für denselben Patienten ein Kohlenstoff-Bestrahlungsplan mit einem Protonen-Bestrahlungsplan verglichen. Die Kohlenstoffionen haben einen 3mal steileren Randabfall. Das gilt für alle Eindringtiefen. Damit können Tumoren auch in kritischer Lage mit hoher Dosis bestrahlt werden und so das Wiederauftreten von Krebszellen, ein so genanntes Tumor-Rezidiv, am Feldrand verhindert werden. Die hohe Präzision des Kohlenstoffstrahls und die geringe Dosis im Eingangskanal erlauben es, ohne gravierende Nebenwirkungen die effektive Tumordosis zu steigern und eine totale Inaktivierung des Tumorgewebes zu erreichen und so den Patienten zu heilen.

Lesen Sie im folgenden Teil über Qualitätssicherung und über das Verfahren der PET-Analyse

 

Dosis

In der Strahlentherapie wird die Energie, die in einem Körper deponiert wird, als Dosis bezeichnet. Die Dosis wird in Gray (Gy) gemessen. 1 Gy = 1 Joule / kg.
Die tägliche Dosis einer einzelnen Bestrahlung liegt bei 2-3 Gy, die Gesamtdosis einer Therapie bei 60-70 Gy. Absolut gesehen sind dies sehr kleine Energiemengen. Sie führen im Zielvolumen zu einer sehr kleinen Temperaturerhöhung von einigen tausendstel Grad, liegen also weit unterhalb der Temperaturschwankung im Tageszyklus. Die Wirkung ionisierender Strahlung ist deshalb kein Temperatureffekt. Ionisierende Strahlung greift direkt an den chemischen Bindungen an und führt deshalb zu gravierenden Schäden an biologische wichtigen Molekülen in der Zelle, vor allem an der DNA, die die gesamte genetische Information enthält. 

Weiterführende Literatur

Amaldi U., Kraft G.: Recent applications of Synchrotrons in cancer therapy with Carbon Ions. europhysics news,. Vol. 36, No. 4, pp.114-118, 2005

Schulz-Ertner D. et al.: Results of Carbon Ion Radiotherapy in 152 Patients. Int. J. Radiation Onc. Biol. Phys., Vol. 58, No. 2, pp. 631-640, 2004

Nikoghosyan A., Schulz-Ertner D., et al.: Evaluation of Therapeutic Potential of Heavy Ion Therapy for Patients with locally advanced Prostate Cancer. Int. J. Radiation Onc. Biol. Phys., Vol. 58, No. 1, pp. 89-97, 2004

Kraft G.: Tumor Therapy with Heavy Charged Particles. Progress in Part. and Nucl. Phys., Vol. 45, Suppl. 2, pp. S473-S544, 2000