Entwicklung eines bildgeführten Bestrahlungsgerätes für die präzise

39. DGMP Tagung 2008 in Oldenburg
Entwicklung eines bildgeführten Bestrahlungsgerätes für
die präzise Tumorbestrahlung an Kleintieren
Khaless, Arian; Thute, Prasad; Hietschold, Volker; Enghardt, Wolfgang;
ZIK OncoRay, Medizinische Fakultät, TU-Dresden
Einleitung
In den letzen Jahren erzielte man große Fortschritte bei der Bildgebung von Kleintieren. Mittlerweile gibt es für
fast alle Modalitäten, die für die Bildgebung am Menschen eingesetzt werden, auch Varianten für Nagetiere
(microCT, microMRI, microPET). In der Krebsforschung werden diese bildgebenden Verfahren bis jetzt
überwiegend bei Tierexperimenten genutzt, die sich mit der Untersuchung von pharmazeutischen Substanzen
beschäftigen. Obwohl in der Strahlentherapie am Menschen schon seit einiger Zeit bildgebende Verfahren
eingesetzt werden und diese eine immer größere Rolle spielen, um die Therapie präziser und effizienter zu
machen, werden diese Entwicklungen nicht am Tiermodell nachvollzogen. Diese Tatsache liegt darin begründet,
dass sich die Bestrahlungstechnik für Kleintiere in der experimentellen Strahlentherapie verglichen mit der bei
der Humantherapie auf dem Niveau der 1950er Jahre befindet. Während Tumoren beim Menschen mittlerweile
hochkonformal, intensitätsmoduliert und stereotaktisch bestrahlt werden, positioniert man Versuchtiere noch
unter Stehfeldern mit grober Standardkollimierung. Will man die heutige Präzisionsstrahlentherapie in
Tierexperimenten untersuchen, ist es unbedingt erforderlich, mit einem geeigneten Kleintierbestrahlungsgerät
die technischen Voraussetzungen dafür zu schaffen.
Material und Methoden
Im Folgenden werden die Anforderungen an ein solches Gerät beschrieben. Der Aufbau des Gerätes soll
Experimente mit Mäusen, den am meisten verbreiteten Versuchtieren in der radioonkologischen
Translationsforschung, aber auch mit Ratten möglich machen. Für die Vergleichbarkeit zu den gängigen
Tierversuchen, muss die Bestrahlung mit 200 kV-Röntgenstrahlung erfolgen, gleichzeitig müssen geeignete
Strahlenergien für die Bildgebung im Bereich von 20 kV bis 60 kV zur Verfügung stehen. Die Behandlung der
Versuchtiere soll mit isozentrischen Bestrahlungstechniken bei 360°-Rotation der Strahlenquelle durchgeführt
werden können. Der Lagerungstisch für die Versuchtiere muss in allen drei Raumrichtungen beweglich sein,
sowie durch isozentrische Rotation die Anwendung non-koplanarer Bestrahlungstechniken ermöglichen. Die
Formung jedes Bestrahlungsfeldes soll individuell möglich sein. Dabei werden Feldgrößen von 1 x 1 mm² bis
20 x 20 mm² abgedeckt. Um Effekte während der Bestrahlungszeit einsetzender Zellreparaturmechanismen
möglichst auszuschließen, darf die Dosisleistung im Zielvolumen nicht kleiner als 1 Gy/min sein. Zum Zweck
der Bildgebung muss das Gerät über einen Röntgenbilddetektor verfügen, mit dem neben einzelnen
Projektionsaufnahmen unter beliebigen Winkel auch fluoroskopische Aufnahmen, sowie die schnelle Aquisition
von winkelabhängigen Projektionen zur tomographischen Rekonstruktion (Cone-Beam-CT) möglich ist. Die
Möglichkeiten der Bildgebung sind zum einen zur Tumorlokalisation aber auch zum Positionieren des
Versuchtieres in der Einstellebene notwendig, da ein Anzeichnen des Isozentrums auf der Haut des
Versuchtieres wegen der hohen Flexibilität von Mäuse- und Rattenhaut nicht sinnvoll ist. Weiterhin soll man mit
Hilfe der 3D-Bildgebung imstande sein, Verlagerungen des Zielvolumens zu korrigieren. Für das bildgebende
System wird eine Ortsauflösung von 90 µm – 100 µm angestrebt. Zusätzlich zum eigentlichen
Bestrahlungsgeräte ist die Entwicklung einer Software zur Bestrahlungsplanung vorgesehen. Die eingesetzten
Strahlenergien machen es notwendig einen Dosisberechnungsalgorithmus auf der Basis von Monte-CarloVerfahren zu verwenden. Im Sinne einer unkomplizierten Handhabung des Bestrahlungsgerätes im Laboralltag
soll dieses über ein Vollschutzgehäuse verfügen.
Ergebnisse
Die Basiskomponenten für das geplante Bestrahlungsgerät bilden eine Röntgenanlage der Firma YXLON und
ein Bilddetektor (C9311DK) von Hamamatsu. Neben einem 4,5 kW Generatorsystem ist eine einpolige
Metall-Keramik-Röhre Bestandteil der Röntgenanlage. Der Röntgenstrahler besitzt zwei Foki mit
Brennfleckgrößen von 1 mm und 5,5 mm nach EN12543. Der kleine Brennfleck kann auf Grund seiner
günstigeren Abbildungseigenschaften zur Bildgebung verwendet werden, wohingegen der große Brennfleck
wegen seiner höheren Strahlleistung für Bestrahlungen herangezogen wird. Die Röhrenspannung lässt sich
zwischen 10 kV und 225 kV in 0,1 kV Schritten frei wählen, so dass sowohl Strahlqualitäten für die
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Tumorbestrahlung als auch für kontrastreiche radiographische Aufnahmen bereitstehen. Bei dem Bildempfänger
handelt es sich um einen Flachbilddetektor auf der Basis einer CMOS-Photodiodenmatrix mit CsI-Szintillator.
Er besitzt eine aktive Fläche von 124,8 x 115,2 mm² bei einer Pixelgöße von 100 x 100 µm². Je nach
Auslesemodus sind maximale Bildwiederholungsraten von 30 Hz bis 88 Hz möglich, so dass in einer
annehmbaren Zeit eine genügende große Zahl an Projektionen für tomographische Rekonstruktionen gesammelt
werden können. Zur Formung des Strahlenfeldes sollen ein Primär- und ein Sekundärkollimator mit gegossenen
Blenden aus MCP96 zum Einsatz kommen. Die beschriebenen Komponenten des Bestrahlungsgerätes werden
auf einem Tragarm montiert, der an einem schneckenverzahnten Wälzlager angebracht ist.
Abbildung 1: Kleintierbestrahlungsgerät mit Hochspannungserzeuger auf Drehtisch;
Über eine Schneckenwelle wird der Tragarm von einem Servomotor angetrieben. Die Dimensionen der
Tragarmkonstruktion ergeben sich im Wesentlichen durch den Abstand der Röntgenröhre (Fokus) zum
Isozentrum von 60 cm. Dieser Abstand stellt einen Kompromiss zwischen den Abbildungseigenschaften bei den
Röntgenaufnahmen, ausreichender Dosisleistung bei der Bestrahlung und angemessener Baugröße des Gerätes
dar. Ein zentrales Problem bei der Konzeption des Bestrahlungsgerätes stellt die Versorgung der schwenkenden
Röntgenröhre mit Hochspannung dar, da bei dem Kabel für die Hochspannungsversorgung ein Biegeradius von
40 cm bei Bewegung nicht unterschritten werden darf. Weil eine Torsion des Kabels ebenfalls nicht zulässig ist,
wird dieses durch das Wälzlager auf die horizontale Drehachse des Tragarms geführt, wobei die Torsion des
Kabel bei Schwenkbewegungen durch die Lagerung des Hochspannungserzeugers auf einem Drehtisch und
dessen synchrone Drehung um eine vertikale Drehachse verhindert wird.
Diskussion
Es wurden entscheidende Schritte bei der Konzeption und Entwicklung eines bildgeführten
Präzisionsbestrahlungsgerätes für Kleintiere gemacht. Konzeption und Aufbau des Gerätes werden
tumorkonforme, bildgeführte Bestrahlungen ermöglichen.