Therapie mit schweren Ionen – vom Pilotprojekt
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Einfluss des OSEM 3D-Algorithmus auf die Bildqualität bei derEducation SPECT CRTE – Continuing Radiological Technologist 149 149 Therapie mit schweren Ionen – vom Pilotprojekt zur klinischen Routine Der Einsatz der Strahlentherapie mit geladenen Teilchen bietet im Vergleich zur Photonentherapie entscheidende physikalische und biologische Vorteile. Die erhöhte biologische und physikalische Wirksamkeit der Schwerionen ist für eine Vielzahl von Tumoren, insbesondere für die gegenüber Photonenstrahlen sehr resistenten Tumorerkrankungen, vorteilhaft. Seit Beginn der Teilchentherapie in den 50er-Jahren in den USA sind über 50 000 Patienten weltweit mit Protonen und über 5 000 Patienten mit Kohlenstoffionen behandelt worden. Für eine Reihe von Tumorindikationen konnte hierdurch das Therapieergebnis wesentlich verbessert werden. Einleitung Was sind eigentlich Schwerionen? ▼▼ Schwerionen sind die Kerne von Atomen, bei denen die Elektronen abgestreift wurden. Für die Behandlung von Tumoren können Protonen (WasserstoffIon) oder verschiedene Ionen, die schwerer sind eingesetzt werden, z.B. Helium-, Kohlenstoff- oder Sauerstoffkerne. Dabei verfügen insbesondere z. B. Kohlenstoff- und Sauerstoffionen über eine erhöhte biologische Wirksamkeit im Tumor, verglichen mit einer Photonenbestrahlung. Die leichten Ionen und dabei insbesondere Protonen und Heliumionen weisen eine nur unwesentlich erhöhte biologische Wirksamkeit im Vergleich zu einer Photonenbestrahlung auf. Die physikalischen Eigenschaften der leichten Ionen entsprechen aber weitgehend denen der Schwerionen. fall folgt. Sowohl vor als auch weit hinter dem Zielvolumen wird eine erhebliche Dosis deponiert, d. h. Photonen geben beim Durchdringen von Gewebe kontinuierlich Energie ab. Im Gegensatz dazu zeigen Schwerionen eine erheblich verringerte Eintrittsdosis und ein ausgeprägtes Maximum in der Tiefe, den sog. Bragg-Peak, dessen Position mit der Wahl der Energie präzise gesteuert werden kann. Hinter dem Bragg-Peak fällt die Dosis sehr steil ab, sodass hier nur wenig Dosis deponiert wird. Für die Bestrahlung eines Tumors mit einer homogenen Dosis benötigt man jedoch einen tiefendosismodulierten Strahl, welchen man durch Überlage- Abb. 1 Darstellung der biologisch effektiven Dosis in Wasser als Funktion der ­Eindringtiefe für verschiedene Strahlenarten: ultraharte Röntgenstrahlung (Photonen, rot), monoenergetische Protonenstrahlen (blau), tiefenmodulierter Protonenstrahl (gelb) und tiefenmodulierter Kohlenstoffionenstrahl (grün). Die verschiedenen Kurven sind auf die gleiche effektive Dosis in der Mitte des Zielvolumens normiert [1]. Für die Schwerionentherapie können verschiedene Ionen eingesetzt werden, z. B. Helium-, Kohlenstoffoder Sauerstoffkerne. Was sind die potenziellen Vorteile der Schwerionen? ▼▼ Der wichtigste Vorteil von Schwerionen gegenüber der konventionellen Photonenstrahlung besteht in dem unterschiedlichen Verlauf der Tiefendosiskurve (q Abb.1) zwischen diesen beiden Strahlenarten. Bei Photonenstrahlung wird das Dosismaximum bereits in geringer Tiefe von wenigen Zentimetern erreicht, worauf ein langsamer exponentieller Ab- Kuhn S. Münter M. Jäkel O. Therapie mit schweren Ionen... Radiopraxis 2010; 3:149 – 157 . DOI 10.1055/s-0030-1265070 Heruntergeladen von: Thieme E-Books & E-Journals. Urheberrechtlich geschützt. S. Kuhn, M. Münter, O. Jäkel Therapie mit schweren Ionen – vom Pilotprojekt zur klinischen Routine rung vieler Energien erreichen kann (extended Bragg-Peak). Dadurch steigt die Dosis im Eingangsbereich zwar an, ist aber gegenüber einer Photonenstrahlung dennoch deutlich reduziert. Im Falle der Kohlenstoffionen variiert die biologische Wirksamkeit (RBE) und ist im Bragg-Peak im Vergleich zum Eintrittsbereich erhöht. Daher ergibt sich bei gleicher effektiver Dosis im Zielvolumen eine Absenkung der Dosis im Eingangsbereich gegenüber Protonenstrahlen. Ein weiterer Unterschied in gezeigten Tiefendosisverläufen ergibt sich aus den nuklearen Wechselwirkungen, denen die Ionen unterworfen sind: dabei entstehen leichtere Teilchen, die eine größere Reichweite als die primären Ionen haben. Diese leichteren Teilchen führen dazu, dass die Dosis nach dem Bragg-Peak im Vergleich zu den Protonen erhöht ist. Im Gegensatz zu den Photonen zeigen Schwerionen eine erheblich verringerte Eintrittsdosis und ein ausgeprägtes Maximum in der Tiefe. Präzision und Wirksamkeit Die Photonenstrahlung ist heute die am häufigsten eingesetzte Strahlenart in der Tumortherapie, man bezeichnet sie auch als konventionelle Strahlentherapie. Im Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum (HIT) kommt dagegen Ionenstrahlung zum Einsatz. Sie wird auch Teilchen- bzw. Partikeltherapie genannt, denn sie besteht aus elektrisch geladenen Teilchen (Partikeln), den sog. Ionen. Dazu gehören Protonen und Schwerionen. Protonen sind die positiv geladenen Kerne von Wasserstoffatomen, von denen die Elektronenhülle abgestreift wurde. Schwerionen sind die positiv geladenen Kerne von Atomen größerer Masse ohne Elektronenhülle. Sie sind deutlich schwerer als Protonen. Im HIT werden zur Tumorbestrahlung Protonen und Schwerionen eingesetzt, insbesondere Kohlenstoff-, Sauerstoff- und Heliumionen. Protonen sind die positiv geladenen Kerne von Wasserstoffatomen größerer Masse ohne Elektronenhülle. Schwerionenstrahlung dringt tiefer ein ▼▼ Photonen haben leider auch Nachteile, sie haben ihr Dosismaximum in ca. 3 cm Tiefe und haben dort die höchste Wirksamkeit. Danach fällt die Strahlendosis kontinuierlich ab, weil der Strahl auf dem Weg durch das Gewebe Streustrahlung verliert. Seitlich vom Tumor liegendes gesundes Gewebe wird daher belastet, und tief im Körper liegende Tumoren erhalten somit keine ausreichend hohe Strahlendosis ohne eine hohe Belastung des umliegenden gesunden Gewebes. Mit modernen Bestrahlungstechniken, wie IMRT (intensitätsmodulierte Radiotherapie), Tomotherapie und IGRT (Image-guided Radiotherapy), lassen sich diese Nachteile häufig ausgleichen – aber eben nicht immer. Mit hochenergetischer Ionenstrahlung dagegen lässt sich mehr Dosis in größeren Tiefen deponieren. Die geladenen Teilchen werden im HIT auf bis zu 73 % der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und dann zielgenau in Richtung Tumor geschickt. Je nach Intensität und Energie können die Ionen bis zu 30 cm tief ins Gewebe eindringen. Mithilfe hochenergetischer Ionenstrahlung lässt sich eine höhere Dosis tiefer im Gewebe deponieren. Schwerionenstrahlung trifft präziser ▼▼ Aufgrund ihrer hohen Geschwindigkeiten und ihrer großen Masse durchdringen Ionen das Gewebe rasch und bilden ein scharf begrenztes Strahlenbündel mit nur minimaler seitlicher Streuung. Erst ganz am Ende ihres Weges, kurz bevor sie stoppen, geben die Ionen den Hauptteil ihrer Energie an das Gewebe ab, im sogenannten BraggPeak, danach kommt es zu einem steilen Dosisabfall. Dies ermöglicht eine gute Schonung des umliegenden Normalgewebes und der sich evtl. dort befindlichen Risikoorgane. Die Ionen geben den Hauptteil ihrer Energie im sogenannten Bragg-Peak an das Gewebe ab. Höhere Strahlendosen sind möglich ▼▼ Der Therapiestrahl kann so präzise gesteuert werden, dass die maximale Strahlendosis genau den Tumor trifft und dahinter liegendes gesundes Gewebe und Risikostrukturen nicht belastet werden. Die Strahlen treffen so genau, dass das umliegende Normalgewebe sowie evtl. Risikoorgane geschont bleiben. Somit kann die Strahlendosis im Vergleich zur konventionellen Photonenbestrahlung bei einer Protonenbestrahlung und auch bei einer Schwerionenbestrahlung eskaliert werden, womit eine deutliche Verbesserung der Heilungschancen für die Patienten erreicht werden kann. Die Strahlen werden so präzise fokussiert, dass das umliegende Normalgewebe sowie evtl. Risikoorgane geschont werden. Kuhn S. Münter M. Jäkel O. Therapie mit schweren Ionen... Radiopraxis 2010; 3:149 – 157 . DOI 10.1055/s-0030-1265070 Heruntergeladen von: Thieme E-Books & E-Journals. Urheberrechtlich geschützt. 150 CRTE – Continuing Radiological Technologist Education Schwerionenstrahlung hat eine höhere biologische Effektivität als Photonenstrahlung. Sie schafft es bis zu 3-mal häufiger, das Erbgut einer Krebszelle irreparabel zu schädigen, wobei es sich hauptsächlich um Doppelstrangbrüche der DNA handelt, die nicht so einfach repariert werden können. Die Krebszelle stirbt und teilt sich nicht mehr, der Tumor wächst somit nicht weiter. Außerdem schädigen Schwerionen Tumoren, die strahlentherapeutisch bisher kaum zu behandeln waren, weil sie gegenüber Photonen extrem resistent sind. Schwerionen schädigen v. a. Tumoren, die sehr langsam wachsen, und solche, die schlecht durchblutete, sauerstoffarme Bereiche enthalten. Pilotprojekt – Schwerionentherapie an der GSI Darmstadt eine deutlich verbesserte lokale Tumorkontrolle erreicht werden. Von Dezember 1997 bis Juli 2008 wurden in einem Pilotprojekt am Teilchenbeschleuniger der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt Tumorpatienten mit Schwerionen – genauer mit Kohlenstoffionen (12C) – bestrahlt. Die GSI gehört zu den weltweit führenden Zentren für Kernphysik und Elementarforschung. Neben großen Erfahrungen auf den Gebieten der Beschleunigertechnik und der Entwicklung hochpräziser Bestrahlungsverfahren verfügte die GSI Darmstadt bis dato über die einzige Beschleunigeranlage in Europa, an der Patienten mit tief liegenden Tumoren mit Ionen bestrahlt werden können. Bereits nach nur 2 Jahren waren die klinische Wirksamkeit und die technische Durchführbarkeit dieser Therapie eindeutig belegt, sodass die Pläne für den Bau einer ausschließlich für Patienten zur Verfügung stehenden Schwerionentherapie-Anlage am Universitätsklinikum Heidelberg vorangetrieben werden konnten. Durch die klinischen Studien im Pilotprojekt ist klar belegt, dass bestimmte Knochentumoren, die sog. Chordome und Chondrosarkome der Schädelbasis [2, 3], sowie die adenoidzystischen Karzinome der Speicheldrüsen von einer Schwerionenbestrahlung profitieren [1]. Diese Tumoren sind gegenüber einer herkömmlichen Bestrahlung sehr resistent und liegen neben den höchst strahlensensiblen Geweben von: ▶▶Hirnstamm ▶▶Hirnnerven ▶▶Augen ▶▶Sehnerven Im Pilotprojekt an der GSI Darmstadt wurden in klinischen Studien knapp 400 Patienten v. a. mit Chordomen und Chondrosarkomen der Schädelbasis ausschließlich mit Kohlenstoffionen (12C) bestrahlt. Diese Tumoren sind langsam wachsende und wenig strahlensensible Tumoren, die vom Knochen- und Knorpelgewebe ausgehen. Weiterhin erhielten etwa 50 Patienten mit bestimmten Speicheldrüsentumoren, den sog. adenoidzystischen Karzinomen, eine kombinierte Radiotherapie mit Kohlenstoffionen und einer Photonen-IMRT. Bei einem großen Teil dieser Patienten, die an diesen mit einer konventionellen Bestrahlung kaum zu behandelnden bösartigen Speicheldrüsentumoren litten, konnte mit dieser Strahlenart Noch vor wenigen Jahren galten sie als schwer behandelbar. Mit einer Protonen- oder Schwerionenbestrahlung sind sie heute mit großer Wahrscheinlichkeit heilbar bzw. zumindest kontrollierbar. Chordome und Chondrosarkome sind langsam wachsende und wenig strahlensensible Tumoren, die vom Knochen- und Knorpelgewebe ausgehen. Indikationen für eine Protonenoder Schwerionenbestrahlung ▶▶alle Chordome der Schädelbasis ▶▶die niedrig- und mittelgradig bösartigen Chondrosarkome der Schädelbasis (WHO Grad 1 und 2) ▶▶adenoidzystische Karzinome der Speicheldrüse mit makroskopischem oder mikroskopischem Tumorrest, der noch keine Metastasen gebildet hat (die konventionelle Photonenbestrahlung wird hier mit einer zusätzlichen Schwerionenbestrahlung, der sog. Boost-Bestrahlung, kombiniert) Kuhn S. Münter M. Jäkel O. Therapie mit schweren Ionen... Radiopraxis 2010; 3:149 – 157. DOI 10.1055/s-0030-1265070 Heruntergeladen von: Thieme E-Books & E-Journals. Urheberrechtlich geschützt. Abb. 2 Abbildung eines Behandlungsplatzes für die Kohlenstoffionentherapie an der GSI. Zu sehen sind der Behandlungstisch, das horizontale Strahlrohr mit dem Monitorsystem, die PET-Kamera sowie die Röntgeninstallation, welche der Positionsverifikation dient (Quelle: Universitäts Klinikum Heidelberg). Schwerionenstrahlung ist wirksamer ▼▼ Erfolgreiche klinische Studien (q Abb. 2) ▼▼ 151 Therapie mit schweren Ionen – vom Pilotprojekt zur klinischen Routine Abb. 3 Schematische Ansicht der Heidelberger Anlage zur Ionentherapie (HIT). Zu sehen sind die beiden Ionenquellen (links im Bild), das Synchrotron (oben), die Strahlführungen zu den 3 Behandlungsplätzen, die beiden Horizontalplätze (Mitte vorn) sowie die drehbare Strahlführung (Gantry, rechter Bildrand) (Quelle Universitätsklinikums Heidelberg). Technische Ausstattung des Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrums Weltweit gibt es einige Protonen- und Schwerionentherapieanlagen. Das HIT (q Abb. 3 u. Abb. 4) verfügt jedoch über einzigartige Merkmale, die seine Sonderstellung in Europa und der Welt ausmachen: ▶▶weltweit die 1. kombinierte Protonen- und Schwerionentherapieanlage, die an einem Universitätsklinikum angesiedelt ist ▶▶weltweit die 1. Schwerionentherapieanlage mit einer beweglichen Bestrahlungsquelle (Gantry) Die Gantry ermöglicht eine sog. Kreuzfeuerbestrahlung des Tumors. (q Abb. 5). Das heißt, die Strahlenbündel der verschiedenen Einstrahlrichtungen überschneiden sich im Tumor und addieren sich nur hier zur Gesamtdosis. Gesundes Normalgewebe, das den Tumor umgibt, erhält nur einen Bruchteil der Strahlung und wird weitgehend geschont. Außerdem können besonders günstige Einstrahlrichtungen gewählt werden, die extrem strahlenempfindliches Normalgewebe ganz aussparen. Das intensitätsmodulierte RasterscanVerfahren ermöglicht höchste Präzision. Im HIT wird durch diese spezielle Applikationsmethode, eine niemals zuvor erreichte Präzision in der Abb. 4 Ansicht des Schwerionensynchrotrons der HIT-Anlage, in welchem die Protonen und Ionenstrahlen auf hohe Energien beschleunigt werden (Quelle: Universitätsklinikum Heidelberg). a Die Dipolmagnete (rot) lenken die Ionenstrahlen auf eine Kreisbahn ab. b Die Quadrupolmagnete (gelb) dienen der Fokussierung der Strahlen. Abb. 5 Die Gantry ist eine riesige, um ihre Achse drehbare Strahlführung, mit deren Hilfe der Patient von allen Seiten bestrahlt werden kann. Die weltweit einmalige Konstruktion aus Stahl ist 670 t schwer, 25 m lang, 13 m im Durchmesser und 3 Stockwerke hoch (Quelle: Universitätsklinikum Heidelberg). Kuhn S. Münter M. Jäkel O. Therapie mit schweren Ionen... Radiopraxis 2010; 3:149 – 157 . DOI 10.1055/s-0030-1265070 Heruntergeladen von: Thieme E-Books & E-Journals. Urheberrechtlich geschützt. 152 CRTE – Continuing Radiological Technologist Education 153 3-dimensionalen Bestrahlung auch von sehr irregulären Zielvolumina erreicht. Bei der Kreuzfeuerbestrahlung überschneiden sich die Strahlenbündel der verschiedenen Einstrahlrichtungen im Tumor und addieren sich nur hier zur Gesamtdosis. Das Rasterscan-Verfahren (q Abb. 6) wurde von Wissenschaftlern der GSI Darmstadt entwickelt. Mithilfe eines CT wird der Tumor in seinen genauen Konturen bildlich 3-dimensional dargestellt und anschließend im Rechner in digitale Scheiben von jeweils 1mm Stärke „geschnitten“. Die Software belegt jede Tumorscheibe schachbrettartig mit nebeneinanderliegenden Bildpunkten und berechnet für jeden Punkt die notwendige Eindringtiefe der Strahlung und die höchstmögliche Strahlendosis. Der intensitätsmodulierte Ionenstrahl tastet dieses Raster millimetergenau ab (mäanderförmiges Abtasten wie bei einem Röhrenfernseher) und verweilt so lange auf einem Punkt, bis die zuvor berechnete Strahlendosis erreicht ist. Liegen empfindliche Organe (Risikoorgane wie z. B. Hirnstamm oder Sehnerv) direkt am Tumor, wird an dieser Stelle mit einer geringeren Dosis bestrahlt. Für Tumorareale, die extrem resistent gegen Strahlung sind, machen sich die Ärzte bei der 3-D-Bestrahlungsplanung aufgrund der höheren Präzision die Möglichkeit der Dosiseskalation zunutze. Magnetfelder lenken den Strahl ▼▼ Der Ionenstrahl kann während der Bestrahlung so präzise gesteuert werden, weil geladene Teilchen sich mithilfe von Magnetfeldern in verschiedene Richtungen lenken lassen. Wie weit der Strahl ins Gewebe eindringt, hängt dagegen von seiner Energie ab, die wiederum davon abhängt, wie stark die Teilchen beschleunigt werden. Je schneller und damit energiereicher der Ionenstrahl ist, desto größer ist die Eindringtiefe ins Gewebe. Höchste Sicherheit durch OnlineTherapiekontrolle ▼▼ Mit der Online-Therapiekontrolle ist es möglich, die Lage und die Intensität des Ionenstrahls am Computer zu überwachen und 10 000 Mal pro Sekunde zu überprüfen. Bei der kleinsten Abweichung stoppt die Bestrahlung innerhalb von einer 0,5 ms – das ist 1 000 Mal schneller als ein Mensch selbst im Reflex reagieren könnte. Ablauf einer Patientenbestrahlung im Heidelberger IonenstrahlTherapiezentrum Die Vorbereitungen der Strahlentherapie sind von besonderer Wichtigkeit. ▼▼ Der Patient muss hierfür exakt individuell immobilisiert und positioniert werden. Ebenfalls müssen die Konturen des Tumors bei der Bestrahlungsplanung mit höchster Präzision ermittelt werden. Nur dann kann der Therapiestrahl den Tumor zielgenau treffen. Patienten werden individuell immobilisiert ▼▼ Abb. 6 Schematische Darstellung der aktiven Strahlapplikation mittels Raster Scanning. Das in Schichten konstanter Strahlenergie aufgeteilte Zielvolumen wird durch einen Pencil-Beam Voxel für Voxel abgerastert, wodurch eine extreme Intensitätsmodulation ermöglicht wird. Durch aktive Variation der Energie des Pencil-Beams im Beschleunigersystem wird der BraggPeak in die jeweilige Schichttiefe gebracht (Quelle: Siemens AG, Healthcare Sector, Partikeltherapie). Damit es während der Bestrahlung durch Pa­ tientenbewegungen nicht zu Ungenauigkeiten kommt, müssen die Patienten während der gesamten Prozedur in individuellen Präzisionslagerungshilfen fixiert werden. Dazu werden für den Kopfbereich für jeden Patienten individuelle Bestrahlungsmasken aus Scotchcastbinden oder Thermoplastmaterialien angefertigt, die den Kopf fest umschließen und nur eine Öffnung im Bereich von Nase und evtl. Mund aussparen. Diese Masken werden fest auf dem Bestrahlungstisch adaptiert. Die Laser im Raum markieren die Bezugspunkte auf der Maske (die Tumorposition), sodass der Therapiestrahl präzise auf die richtige Stelle gerichtet werden kann – auch bei mehreren aufeinanderfolgenden Bestrahlungen. Liegt der Tumor an einer anderen Stelle im Körper, kommen Lagerungshilfen wie z. B. Vakuumkissen zum Einsatz, die den Brust- oder Beckenbereich des Patienten entsprechend fixieren. Patienten müssen während der gesamten Bestrahlung in individuellen Präzisionslagerungshilfen fixiert werden. Kuhn S. Münter M. Jäkel O. Therapie mit schweren Ionen... Radiopraxis 2010; 3:149 – 157. DOI 10.1055/s-0030-1265070 Heruntergeladen von: Thieme E-Books & E-Journals. Urheberrechtlich geschützt. Der Strahl tastet den Tumor ab ▼▼ Therapie mit schweren Ionen – vom Pilotprojekt zur klinischen Routine Abb. 9 Schaltraum HIT H1. Steuerung der einzelnen Komponenten durch den RTT-PT sowie die Videoüberwachung der im Behandlungsraum zur Bestrahlung positionierten Patienten. Abb. 7 Biologisch optimierter 3-D-Bestrahlungsplan eines Clivuschordoms. Die Bestrahlung erfolgt mit Kohlenstoffionen (12C) über 2 opponierende Felder, man erzielt hiermit sehr steile Dosigradienten (blau) und somit eine sehr gute Schonung des umliegenden Normalgewebes und der Risikoorgane, z. B. den sich in unmittelbarer Nachbarschaft befindlichen Hirnstamm (grün) (Quelle: Universitätsklinikum Heidelberg). 3-D-Bestrahlungsplanung ▼▼ Die 3-D-Bestrahlungsplanung (q Abb. 7) beginnt mit der Bildgebung, d. h. zunächst werden ­Schnittbildaufnahmen im CT und MRT, evtl. auch ein PET-CT, durchgeführt. Danach wird von den Ärzten das Tumorvolumen bzw. bestimmte Parameter festgelegt: ▶▶Tumorsolldosis ▶▶Toleranzdosis des umliegenden gesunden Normalgewebes ▶▶Toleranzdosis der Risikoorgane Aus diesen Vorgaben berechnet der Computer die optimale Strahlendosis für jeden einzelnen Punkt im Tumor und ermittelt die günstigsten Einstrahlrichtungen des Therapiestrahls. Das nennt sich 3-dimensionale computergestützte Bestrahlungsplanung (inverse Bestrahlungsplanung). Wesentliche Unterschiede zu den bestehenden Systemen ergeben sich insbesondere bei den Algorithmen zur Berechnung der 3-dimensionalen Dosisverteilung, da für Ionenstrahlen eine biologisch effektive Dosis berechnet wird. Ein weiterer Unterschied ergibt sich durch die Bestrahlungstechnik, da die Steuerparameter für die Applikation mittels eines gescannten Ionenstrahles berechnet werden müssen. Bei der 3-dimensionalen computergestützten Bestrahlungsplanung (inverse Bestrahlungsplanung) werden anhand von vorher festgelegten Parametern die optimale Strahlendosis und die günstigste Einstrahlrichtung berechnet. Roboter positionieren den Patienten ▼▼ Abb. 8 Darstellungen eines Bestrahlungsplatzes im HIT (Quelle: Klinikum Heidelberg). a Horizontaler Bestrahlungsplatz im HIT. Mit Tischroboter zur Patientenpositionierung und Röntgenroboter (Imager) zur digitalen Bildgebung und Bestrahlungsverifikation. b Einstellung des Bestrahlungszielpunktes, der Patient ist hierfür in einer individuell angepassten Scotchcastmaske fixiert. Im HIT werden erstmalig Tischroboter (q Abb. 8) zur hochpräzisen Patientenlagerung eingesetzt. Damit bringt die MTRA den Patienten mit Präzisionen von unter 1 mm in die richtige Bestrahlungssposition. Deckenroboter (Imager), die mit einem Flatpanel ausgestattet sind, machen vor dem Bestrahlungsbeginn orthogonale Röntgenaufnahmen des Tumorareals. Diese erscheinen sofort auf dem Monitor im Kontrollraum (qAbb. 9), damit die Ärzte nochmals die Position des Patienten überprüfen können. Dazu werden Knochenstrukturen auf den Röntgenkontrollaufnahmen sowie weitere markante anatomische Strukturen mit den im Rahmen der Vorbereitung gemachten 3-D-CT- und MRT-Datensätzen übereinandergelegt (Matching) und dann entsprechend adaptiert, d. h. via Tischkorrektur angepasst. Die gesamte Prozedur dauert je nach Tumorgröße ca. 30–45 min pro Fraktion: ▶▶Maske anlegen und positionieren Kuhn S. Münter M. Jäkel O. Therapie mit schweren Ionen... Radiopraxis 2010; 3:149 – 157 . DOI 10.1055/s-0030-1265070 Heruntergeladen von: Thieme E-Books & E-Journals. Urheberrechtlich geschützt. 154 CRTE – Continuing Radiological Technologist Education 155 ▶▶Kontrollaufnahmen anfertigen ▶▶eine eventuelle Korrektur mit anschließender Bestrahlung Die gesamte Bestrahlungsserie einer Kohlenstoffionentherapie besteht aus durchschnittlich 20 Einzelbestrahlungen (Fraktionen). Tischroboter werden zur hochpräzisen Patientenpositionierung eingesetzt, um den Patienten mit Präzisionen von unter 1 mm in die richtige Bestrahlungssposition zu bringen. Verlaufskontrolle nach Schwerionen­ therapie ▼▼ Etwa 6 Wochen nach Ende der Bestrahlungsserie wird der Behandlungserfolg (q Abb.10) mit einer MRT-Bildgebung kontrolliert, um eventuell aufgetretene radiogene Nebenwirkungen oder sonstige Veränderungen frühzeitig zu erkennen und um dann die entsprechenden therapeutischen Maßnahmen einzuleiten. Weitere MRT-Kontrollen nach 3 Monaten und später in ½-jährlichen Abständen sollen zeigen, ob der Tumor kleiner geworden oder sogar komplett verschwunden ist. Zusammenfassung Mit dem Abschluss des Pilotprojekts an der GSI Darmstadt im Juli 2008 konnte die klinische Durchführbarkeit und Sicherheit dieser Therapie mit schweren Kohlenstoffionen demonstriert werden. Ebenso wurde eine exzellente lokale Kontrolle für Chordome und niedriggradige Chondrosarkome der Schädelbasis mit nur geringfügiger Toxizität erreicht. Ein Hauptziel der klinischen Inbetriebnahme des HIT war die permanente Verfügbarkeit der Teilchentherapie mit Anbindung an eine große strahlentherapeutische Universitätsklinik. Außerdem verfolgt man eine Reihe von Weiterentwicklungen, wie z. B.: ▶▶die Optimierung der Bestrahlungsplanung ▶▶die Bestrahlung von beweglichen Organen ▶▶eine Erweiterung des Indikationsspektrums ▶▶die Bestrahlung von kindlichen Tumoren bevorzugt, an der Gantry Geplant sind in Zukunft: ▶▶weitere klinische Studien ▶▶die systematische Untersuchung der Rolle der Protonen- und Kohlenstoffionentherapie in klinischen Phase I–III Studien ▶▶Vergleichsstudien der Photonen- (IMRT, Tomotherapie, IGRT) und Teilchentherapie ▶▶eine Weiterentwicklung der Technologie ▶▶radiobiologische Begleitforschung Kuhn S. Münter M. Jäkel O. Therapie mit schweren Ionen... Radiopraxis 2010; 3:149 – 157. DOI 10.1055/s-0030-1265070 Heruntergeladen von: Thieme E-Books & E-Journals. Urheberrechtlich geschützt. Abb. 10 Verlauf eines Clivuschordoms; T2-gewichtete MRT-Aufnahmen im Verlauf beim Z. n. Resektion 02/05 und Kohlenstoffionentherapie (12C) mit 60 Gy E 11/05 an der GSI Darmstadt (Quelle: Universitätsklinikum Heidelberg). a BPL Aufnahme. b Verlaufskontrolle nach 51 Monaten. Therapie mit schweren Ionen – vom Pilotprojekt zur klinischen Routine Kernaussagen ▶▶ Die Strahlentherapie mit geladenen Teilchen bietet im Vergleich zur Photonentherapie entscheidende physikalische und biologische Vorteile. ▶▶ Schwerionenstrahlung dringt tiefer ein, trifft präziser und ist wirksamer. ▶▶ Die technische Ausstattung des HIT ist europaweit die 1. kombinierte Protonen- und Schwerionen­ therapieanlage und weltweit die erste Schwerionentherapieanlage mit einer beweglichen Strahlführung (Gantry). ▶▶ Durch das Rasterscan-Verfahren tastet der intensitätsmodulierte Ionenstrahl den virtuell in isoenergetische Scheiben unterteilten Tumor mäanderförmig ab. ▶▶ Roboter positionieren den Patienten hochpräzise (<1mm) in die richtige Bestrahlungsposition. ▶▶ Das HIT ermöglicht eine permanente Verfügbarkeit der Teilchentherapie sowie eine Erweiterung der Behandlungsindikationen und Forschung. Literatur 1 Jäkel O. Hadrontherapy: radiotherapy using fast ion beams. In: Sigmund P, Hrsg. Ion Beam Science: Solved and Unsolved Problems. Copenhagen: The Royal Danish Academy of Sciences and Letters; 2006: 37–57 2 Schulz-Ertner D, Nikoghosyan MD, Hof H et al. Carbon ion radiotherapy of skull-base chondrosarcomas. Int J Radiat Oncol Biol Phys 2007; 67: 171–177 3 Schulz-Ertner D, Karger CP, Feuerhake A et al. Effectiveness of carbon ion radiotherapy in the treatment of skull-base chordomas. Int J Radiat Oncol Biol Phys 2007; 68: 449–457 4 Schulz-Ertner D, Nikoghosyan MD, Didinger MD et al. Therapy strategies for locally advanced adenoid cystic carcinomas using modern radiation therapy techniques. Cancer 2005; 104: 338–344 Über die Autoren ▼▼ Radiobonus Pareto-Reihe Radiologie: Schnell und übersichtlich werden alle Fakten klar gegliedert präsentiert. Wenn Sie bis zum 31. Oktober 2010 die CRTE-Fragen beantworten, können Sie eines von 3 Exemplaren des Bandes „Kopf/ Hals“ aus dieser Reihe gewinnen! Sabine Kuhn Jahrgang 1964. Schulausbildung und Abitur in Eberbach und Heilbronn. 1985–1987 Ausbildung zur Arzthelferin. 1988–1990 Ausbildung zur MTRA am Universitätsklinikum Heidelberg. 1990–1993 Tätigkeit als MTRA an der Radiologischen Universitätsklinik Heidelberg, Abteilung Klinische Radiologie und Strahlentherapie. 1993–2003 Klinische Kooperationseinheit am Deutschen Krebsforschungszentrum. 1998–2003 Leitende MTRA. Seit 2003 Leitende MTRA Abteilung Radiologische Universitätsklinik, Radioonkologie und Strahlentherapie. Seit 2009 Leitende MTRA im Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum Betriebs GmbH am Universitätsklinikum Heidelberg. Marc Münter Jahrgang 1972. 1992–1999 Studium der Humanmedizin. 1999–2005 Facharztausbildung an der Klinik für Radioonkologie der Universität Heidelberg. 2005–2006 Facharzt an der Klinik für Radioonkologie der Universität Heidelberg. Seit 2006 Oberarzt an der Klinik für Radioonkologie der Univer- sität Heidelberg. 2006–2008 Oberarzt für die klinische Forschung der Klinischen Kooperationseinheit Radioonkologie am Deutschen Krebsforschungszentrum. Seit 2008 Ärztlicher Leiter des Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrums der Universitätsstrahlenklinik. Oliver Jäkel Jahrgang 1964. 1983–1990 Studium der Physik an der Friedrich-Alexander Universität Erlangen. 1990–1994 Wissenschaftlicher Angestellter am Institut für Theoretische Physik der Universität Erlangen. 1994 Promotion zum Dr. rer. nat. an der Universität Erlangen. Seit 1994 Wissenschaftlicher Angestellter in der Abteilung Medizinische Physik am Deutschen Krebsforschungszentrum Heidelberg. 1994–1996 Aufbaustudium Medizinphysik. 1998 Erteilung der Fachkunde Strahlenschutz in der Medizin und als Medizinphysikexperte. Seit 1998 Leiter der Forschungsgruppe Schwerionentherapie am Deutschen Krebsforschungszentrum und Leiter der Medizinphysik für die Strahlentherapie mit schweren Ionen an der GSI. 2001 Habilitation in der Medizinischen Physik an der Medizinischen Fakultät der Universität Heidelberg. 2006 Ernennung zum außerplanmäßigen Professor an der Medizinischen Fakultät der Universität Heidelberg. Seit 2007 Leiter der Medizinphysik am Heidelberger-IonenstrahlTherapiezentrum der Universitätsklinik Korrespondenzadresse Sabine Kuhn Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum HIT Betriebs-GmbH am Universitätsklinikum Heidelberg Im Neuenheimer Feld 450 69120 Heidelberg Tel.: +49(0)6221/568202 Fax: +49(0)6221/565353 E-Mail: [email protected] Kuhn S. Münter M. Jäkel O. Therapie mit schweren Ionen... Radiopraxis 2010; 3:149 – 157 . DOI 10.1055/s-0030-1265070 Heruntergeladen von: Thieme E-Books & E-Journals. Urheberrechtlich geschützt. 156 CRTE-Fragen 157 CRTE-Fragen Therapie mit schweren Ionen – vom Pilotprojekt zur klinischen Routine 1 Was sind Schwerionen? A. B. C. D. E. Kerne von Atomen, bei denen alle Protonen abgestreift wurden Kerne von Atomen, bei denen die Elektronen abgestreift wurden Kerne von Atomen, bei denen 1 Elektron und 1 Proton abgestreift wurden Kerne von Elektronen, bei denen alle Protonen abgestreift wurden Kerne von Elektronen, bei denen alle Elektronen abgestreift wurden 2 Welchen wichtigen Vorteil haben Schwerionen? A. B. C. D. E. verringerte biologische Wirksamkeit im Tumor verringerte biologische Effektivität verringerte physikalische Wirksamkeit im Tumor Schwerionen dringen tiefer ein, treffen präziser und sind wirksamer geben beim Durchdringen von Gewebe kontinuierlich Energie ab 3 Welche technische Ausstattung hat die HIT-Anlage? A. B. C. D. E. Rasterscan-Verfahren, 3 Gantrys 2 90°-Behandlungsplätze, 1 45°-Behandlungsplatz, kein Rasterscan-Verfahren 2 Horizontalstrahlplätze, 1 Schwerionengantry, Rasterscan-Verfahren Rasterscan-Verfahren, 1 Horizontalstrahlplatz, 1 90°-Behandlungsplatz, 1 Gantry 2 Horizontalstrahlplätze, 1 45°-Behandlungsplatz, 1 Schwerionengantry 4 Schwerionenstrahlung hat eine höhere biologische Effektivität bei den Tumoren als Photonenstrahlung, weil A. B. C. D. E. sie die Zellen besser trifft sie die Zellmembran zerstört um die Zellen eine Barriere aufbaut sie es bis zu 3-mal häufiger schafft, das Erbgut einer Krebszelle irreparabel zu schädigen eine höhere Energie als die Photonenstrahlen hat 5 A. B. C. D. E. Aufgrund welcher Eigenschaften bilden Ionen ein scharf begrenztes Strahlenbündel? geringe Eindringtiefe stark fokussierbare Bündel hohe Geschwindigkeit große Masse hohe Geschwindigkeiten und große Masse 6 A. langsam wachsende und wenig strahlensensible Tu­moren, die von Knochen und Knorpelgewebe ausgehen B. stark durchblutete Tumoren C. fetthaltige Tumoren D. stark ausgebreitete Tumoren E. Tumoren im Unterbauch 7 Der Ionenstrahl kann während der Bestrahlung so präzise gesteuert werden, weil A. B. C. D. E. er im Gewebe kaum abgelenkt wird er in unterschiedlichen Geweben genau gleich reagiert eine geringe Abweichung sofort erkannt wird geladene Teilchen sich mithilfe von Magnetfeldern in verschiedene Richtungen lenken lassen die Eindringrichtung genau vorher bestimmt wird 8 Wie oft wird mit der Online-Therapiekontrolle die Lage und die Intensität des Ionenstrahls am Computer überprüft? A. B. C. D. E. 10 000 Mal pro Sekunde 1 000 Mal pro Minute 100 Mal pro Sekunde 100 000 Mal pro Sekunde 10 000 Mal pro Minute 9 Damit es während der Bestrahlung durch Patientenbewegungen nicht zu Ungenauigkeiten kommt, A. B. C. D. E. muss der Patient in Vollnarkose versetzt werden darf immer nur der gleiche Strahlentherapeut den Patienten lagern müssen die Patienten während der gesamten Prozedur in individuellen Präzisionslagerungshilfen fixiert werden werden dem Patienten bei jeder Bestrahlung neue Markierungen aufgemalt muss die Ionenstrahlung immer aus der gleichen Richtung kommen 10 A. B. C. D. E. ! Welche Tumoren können mit der Schwerionentherapie besser behandelt werden als mit der herkömmlichen Photonentherapie? An welcher Stelle im Gewebe geben die Ionen den Hauptteil ihrer Energie an das Gewebe, im sog. BraggPeak, ab? am Eintrittspunkt ins Gewebe erst ganz am Ende ihres Weges, kurz bevor sie abgebremst werden beim Austritt aus dem Gewebe mitten im Tumor am Anfang und Ende des Tumors Radiobonus Teilnehmen und gewinnen! Siehe S. 156 Korrekturexemplar: Veröffentlichung (auch online) sowie Verfielfältigung oder Weitergabe ist nicht erlaubt! Kuhn S. Münter M. Jäkel O. Therapie mit schweren Ionen... Radiopraxis 2010; 3:149Ionen... – 157. DOI 10.1055/s-0030-1265070 Therapie mit schweren Radiopraxis 2010; 3:149 – 157 Heruntergeladen von: Thieme E-Books & E-Journals. Urheberrechtlich geschützt.
