Strahlentherapie - Johannes Gutenberg

Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Seminar zum Fortgeschrittenen Praktikum
Leitung: Patrick Achenbach
Referentin: Tülin Ardic
Betreuerin: Miriam Fritsch
Strahlentherapie
Nach einer Studie erkrankt gegenwärtig jeder dritte Europäer im Laufe seines Lebens an Krebs. In
Deutschland erkranken jährlich 450.000 Menschen an Krebs, allerdings ist die Tendenz stark
steigend.3/4 der Erkrankten sind über 60 Jahre alt, nur etwa ¼ sind unter 60.Weltweit sterben täglich
20.000 Menschen an Krebs. Im Jahr 2007 sind 7,6 Millionen Menschen an Krebs gestorben, neu
diagnostiziert worden sind die 12,3 Millionen Menschen
Krebs hat unterschiedliche Auslöser. Vor allem die Einflüsse, die das Erbgut verändern, sind Krebs
erregend. Bisher weiß man höchstens, dass genetische Defekte, aber auch Umweltfaktoren, bestimmte
Krankheiten und Medikamente, sowie eine "ungesunde Lebensweise" (Rauchen und Ernährung) eine
Rolle spielen.
Was ist Krebs und wie entsteht das?
Krebs: Ungesteuerte, schrankenlose Vermehrung der Körperzellen
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
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Gesundes Organismus Gleichgewicht zwischen Zellteilung und Zelltod(Apoptose:
Selbstmord der Zellen)
Wächter Gene überwachen die korrekte Abfolge des DNA und entscheiden über
Reparaturvermögen
Bei Krebs wird Apoptose-Programm gestört ungehinderte Zellteilung
Eigenschaften von Krebszellen:
Unter Sauerstoffmangel überleben
Eigene Blutversorgung aufbauen
Ansiedeln ins fremde Gewebe
Es gibt drei Säulen von Krebstherapie: Operation, Chemotherapie, Strahlentherapie. Operation und
Bestrahlung sind lokale Therapien und beide können mit Chemotherapie verbunden werden.
Strahlentherapie: Zerstörung von Tumorzellen durch ionisierende Strahlen, während das gesunde
Gewebe geschont wird. Bei der Strahlentherapie können Photonen, geladene Teilchen(Elektronen,
Protonen und schwere Ionen) und radioaktive Strahlen(α-, β-, ɣ-Strahlen) verwendet werden.
Energiedosis(D): D 
E
Einheit: Gray E: Energie, die von einer Strahlung abgegeben wird.
m
m: Masse des Körpers, der die Energie aufnimmt.
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Abbildung 1: Tiefendosiskurven von verschiedenen Strahlenarten
Bei Elektronen hat die Dosiskurve ein paar cm. Später ein Maximum und dann steilen Abfall in die
Tiefe. Deswegen Elektronenstrahlung geeignet für die Tumoren, die von der Haut nicht weit entfernt
sind. Bei Photonen ist die Dosis ungefähr nach 4 cm Maximum, dann fällt exponentiell ab. Protonen
geben ihr Dosismaximum in der Tiefe ab(Bragg-Peak)und fallen sehr steil auf null. Vergleicht man
schwere Ionen mit Protonen, stellt man fest, dass schwere Ionen eine bessere Dosiskonformation
besitzen, da der Bragg-Peak breiter ist.
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LET: Der lineare Energietransfer ist ein Maß für die Wirkung von Strahlung. Er beschreibt,
wie viel Energie ein ionisierendes Teilchen pro Längeneinheit an das durchdrungene Material
abgibt und wird in Kiloelektronenvolt pro Mikrometer
angegeben. Teilchen mit höherem LET (Protonen) können bei gleicher Dosis größere Schäden
aufgrund der stark lokalisierten Ionisation anrichten als dünn ionisierende Strahlung (Elektronen,
Photonen)
Wirkung ionisierender Strahlung: Direkte Strahlenwirkung: Ionisierung der DNA-Moleküle
Strahlenschäden an der DNA:
Einzelstrangbrüche(dosisproportional),Doppelstrangbrüche(dosisproportional),Basenschäden(Verlust),
Vernetzung innerhalb der DNA Bulky-Lesions“ Mehrfachschäden(irreparabel)
Indirekte Strahlenwirkung Wechselwirkung an Wassermolekülen
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Energieabsorption im Wasser Ionisation/Anregung
Primärradikale und Peroxide Änderung des DNA
2/3 des biologischen Schadens durch indirekte Strahlenwirkung
Behandlungstypen: Brachytherapie(Kurzdistanztherapie): Bei dieser Art von Therapie wird die
Strahlungsquelle innerhalb oder in der Nähe des zu bestrahlenden Gewebes platziert. Das gewährt die
Möglichkeit, hohe Strahlendosis gezielt auf den Tumor zu geben, damit Schädigung von gesundem
Gewebe und gesunden Organen verhindert wird. Verwendete Nukliden sind β- oder ɣ-Strahler.
Teletherapie(Ferntherapie): Strahlenquelle und Tumor stehen hier nicht in direktem Kontakt.
Geräte der Teletherapie:
 Röntgenröhren(historisch): bestehen aus evakuierten Glaskolben. Die Elektronen werden
von der Kathode emittiert, durch eine Spannung zwischen Kathode-Anode zur Anode
beschleunigt, dringen ins Anodenmaterial ein und werden dadurch gebremst und erzeugen
Bremsstrahlung.
 Linearbeschleuniger(LINAC):
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Abbildung 2: (links)Aufbau von LINAC(Mitte)Ausgleichkörper im Photonenmodus, (rechts)
Ausgleichkörper im Elektronenmodus
Beschleunigungsrohr: Diese beschleunigt die von der Elektronenkanone kommenden
Elektronenwolken.
Umlenkmagnet: Der Bending-Magnet hat die Aufgabe der Umlenkung des Elektronenstrahls und
Energieselektion durch Einbringen eines Energiespalts im Strahlengang
Ausgleichkörper im Elekron-Photonmodus: Dem Ausgleichsfilter kommt eine zentrale Bedeutung
zu. Durch ihn wird die auftreffende Strahlung aufgehartet Intensitatsverteilung gesorgt, da die vom
Bremstarget und der Streufolie kommende Photonen-Elektronenfluenz im Zentrum eine deutlich
höhere Intensität besitzt als in den Randbereichen.
Blendensystem: Das Blendensystem begrenzt die zu bestrahlende Feldgeometrie.
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Protonen und Ionen-Therapie:
Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum(HIT)
1. Protonten und Ionen-Quelle: In der Ionenquelle werden die positiv geladenen Ionen
produziert, indem die Elektronen der Wasserstoff-, Helium-, Kohlenstoff- und
Sauerstoffatome abgespalten werden.
2. Der Linearbeschleuniger: Im Linearbeschleuniger - einer fünf Meter langen Röhre werden die Ionen auf mehr als ein Zehntel der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt.
3. Das Synchrotron: Das Heidelberger Synchrotron hat einen Umfang von 65m und besteht
aus 60° Dipolmagneten, welche die Ionen auf ihrer Bahn halten sollen.12-Quadrupolen
fokussieren den Strahl auf die Strecke.
4. Hochenergie-Strahlführung: Vom Synchrotron aus wird der Ionenstrahl durch die
Hochenergiestrahlführung zu einer der drei Behandlungsräume geleitet. Die
Hochenergiestrahlführung besteht aus Vakuumröhren und Magneten.
5-6: Horizontalbestrahlplätze: Für Augen-Hirn Tumoren
7-8: Gantry-Gantrybestrahlplatz: Die Gantry ist der bewegliche Teil des StrahltransportSystems. Sie besitzt eine isozentrisch rotierende Struktur, die 10 Meter hoch ist und 100
Tonnen wiegt. Auf der Gantry sind ein Abschnitt des Strahltransportwegs und die Nozzle
installiert. Der bewegliche Teil des Strahltransportrohrs und der feststehende Teil am Ende der
achromatischen 60°-Biegung zur Gantry hin sind durch eine einfache Rotationsdichtung
verbunden. Unter anderem durch die Bewegungsmöglichkeiten der sechs Freiheitsgrade des
Patientenpositionierungs-Systems (PPS) bietet die Gantry dem Radioonkologen ausreichende
Flexibilität, um Patienten von allen Seiten aus zu bestrahlen.
Die Gantry ist so aufgebaut, dass unter allen Betriebsbedingungen der Gantry, einschließlich
aller Ausrichtungen, Interferenzen mit dem Strahlabgabe-System bei maximalem Zugang zum
Patienten minimiert werden, dabei wird gleichzeitig die Isozentrumsposition innerhalb eines
Abweichungsbereichs mit einem Radius von 1 mm beibehalten.
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Abb.6:Aufbau des Heidelberger Ionenstrahl- Therapiezentrums HIT
Intensitätsmoduliertes Rasterscanverfahren IMRT
Abb.7: Das Prinzip des Rasterscanverfahren
Beim Rasterscanverfahren wird das Zielvolumen in eine Reihe von hintereinanderliegenden Schichten
aufgeteilt. Jede Schicht wird mit einem Netz von Bildpunkten besetzt. Beginnend mit der zu hinterste
gelegenen Schicht (größte Tiefe), wird mit den beiden Dipolmagneten der Strahl über diesen Weg
geführt. Die Ablaufsteuerung des Rasterscan-Systems regelt dabei die Teilchenintensität, die Energie
und die Eindringtiefe so dass auf jeder Strahlposition die von der Bestrahlungsplanung vorgegebene
Teilchenbelegung erzielt wird.
Protonentherapie:
Abb.8: Vergleich des Verlaufs der Tiefendosis für Photonen
und Protonen.
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Der Verlauf der Tiefendosis der Protonen ist geprägt durch eine endliche Reichweite und einem steilen
Anstieg der deponierten Energie am Ende der Reichweite, der als Bragg-Peak bezeichnet. Dieser
Verlauf ermöglicht durch Modulation der Reichweiten das Zielvolumen dreidimensional
konfirmierend zu bestrahlen.
Bestrahlungsplanung: Fraktionieren
Abb.9: Fraktionierungseffekt von Strahlen an einer Zellkultur
Die gesamte Dosis wird nicht innerhalb einer Bestrahlung, sondern in kleinen Portionen abgegeben.
Diese Aufteilung nennt man Fraktionierung. Verantwortlich für diesen Effekt ist in erster Linie die
Fähigkeit der Zellen, vorhandene DNA-Schäden zu reparieren. Wie man in der Abbildung 9 erkennen
kann, ist diese Regenerationsfähigkeit bei gesunden Zellen besser als bei den Tumorzellen. Durch
diesen Effekt erreicht man einen therapeutischen Gewinn.
Zusammenfassung
Elektronen und Photonen
Vorteile und Nachteile
+ Bestrahlung von nicht scharf umgrenzten Tumoren
+ mehr Standorte
+ kostengünstig
- starke Schädigung des gesunden Gewebes, dadurch mögliche Ursache für weitere Tumore
Schwere Ionen und Protonen
Vorteile und Nachteile
+ Bestrahlung von scharf abgrenzten Tumoren
- wenige Standorte
- teuer und aufwändig
+ präzise Dosisapplikation
+ geringe Anzahl an Bestrahlungssitzungen
Es gibt keine Therapie, die für jeden Tumor gut geeignet ist, sondern ist für jeden Tumor eine eigene
Therapie notwendig.
Es
Quellen
•„Physikalische und strahlenbiologische Messungen zur Strahlentherapie mit Protonen“, Diplomarbeit
Miriam Fritsch, August 1996 Universität Erlangen
• „Protonentherapie Neue Chance bei Krebs“ von Hans Rinecker
• http://www.gsi.de/forschung/bio/publics_files/rasterscanner.pdf
• http://www.gsi.de/documents/DOC-2008-Jun-16-1.pdf
• http://www.uke.de/kliniken/strahlentherapie/downloads/klinik-strahlentherapieradioonkologie/Diplomarbeit_Fischer.pdf
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•Skript Angewandte Medizinische Physik,pdf.
•http://www.j-schoenen.de/abc-manual/a/Strahlung.html
• http://www.rptc.de
•www.wikipedia.org/Strahlentherapie
•http://www.klinikum.uni-heidelberg.de/Strahlentherapie
• „Spot-Scanning mit Protonen: Experimentelle Resultate und Therapieplanung“, Doktorarbeit Stefan
Scheib, 1993 Universität Karlsruhe bt keine Therapie, die für jede Tumor Art gut geeignet ist. Es gibt
keine Therapie, die für jede Tumor Art gut geeignet ist. Für jede Tumor Art ist eine eigene Therapie
notwendig.
Für jede Tumor Art ist eine eigene Therapie notwendig.
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