4. workflow und Technik

Fortschritte in der Strahlentherapie – Spagat zwischen
Anspruch, Möglichkeiten und wirtschaftlichen Zwängen
P. Geyer
Klinik für Strahlentherapie und Radioonkologie
Vortrag am 9. November 2015 vor dem Landesverband Sachsen des VDI
Gliederung
1. Krebs und –therapie in der Geschichte
2. Krebs und –therapie heute
3. Bestrahlungstechniken
4. Workflow und Technik
5. Vergleichende Betrachtungen
6. Ausblick
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1. Krebs und -therapie in der Geschichte
Smith-Papyrus (Ursprung 2500 v.Chr.) enthält das medizinische
Wissen von Imhotep, einem ägyptischen Arzt (um 2625 v.Chr.):
der Fall 45 beschreibt ein Mammacarcinom („geschwollene Masse in der Brust“) und „ es gibt keine Therapie“
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1. Krebs und -therapie in der Geschichte
Dennoch gibt es in antiken und mittelalterlichen medizinischen
Schriften nur sehr wenig Hinweise auf Krebserkrankungen,
wogegen andere Krankheitsbilder (z.B. Lepra) ausführlich abgehandelt wurden. Was sind die Ursachen dafür?
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1. Krebs und –therapie in der Geschichte
Krebs-Operationen im Mittelalter:
Johannes Scultetus (1595 – 1645) beschreibt eine Mastektomie mittels
Messer, Feuer, Säure und Lederbinden
(lokale Therapie)
Quelle: S. Mukherjee, Der König aller Krankheiten, DUMONT Verlag 2012
Warum zuerst bei Brustkrebs?
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1. Krebs und –therapie in der Geschichte
1895: Entdeckung der Röntgenstrahlen
Röntgenbestrahlung
eines
Mammacarzinoms
durch Dr. Chicotot
(Gemälde von G. Chicotot, 1907)
(lokale Therapie,
fokussiert auf den
Tumor)
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1. Krebs und –therapie in der Geschichte
2.12.1943:
„Entdeckung“ der
Chemotherapie
Quelle: S. Mukherjee, Der König aller
Krankheiten, DUMONT Verlag 2012
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1. Krebs und –therapie (in der Geschichte)
Die drei Säulen der Krebstherapie
Operation (lokale Therapie)
Strahlentherapie (lokale Therapie)
Chemotherapie (systemische Therapie)
Concordiatempel, Agrigent,
Sizilien
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2. Krebs und –therapie heute
Die drei Säulen der Krebstherapie
Kombinationstherapien
Operation (lokale Therapie) → Weiterentwicklung
Strahlentherapie (lokale Therapie) → neue Strahlarten,
Individualisierung
Chemotherapie (systemische Therapie) → neue Substanzen
???
z.B. Lasertherapie,
ablative Verfahren,
Immuntherapie…
Concordiatempel, Agrigent, Sizilien
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2. Krebs und –therapie heute
Krebs als Erkrankung des
höheren Lebensalters!
Inzidenz wächst mit Alterung
der Gesellschaft weiter.
Ca. jeder Dritte ist im Laufe des
Lebens davon betroffen.
Heilungsrate ca. 50 %
60 - 64
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2. Krebs und –therapie heute
Was kennzeichnet Krebs?
- unkontrolliertes Zellwachstum
- invasives Wachstum in Umgebung
- Metastasierung (über Blutbahn oder Lymphabflusswege)
Es gibt solide und nichtsolide Tumoren.
Tumoren bauen eigene
Gefäßversorgung auf;
Tumorzellen sind Zellen
des eigenen Körpers!
Wie dann selektiv bekämpfen?
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2. Krebs und –therapie heute
Wie dann selektiv bekämpfen?
Das „therapeutische Fenster“ am Beispiel der Strahlentherapie
TCP:
Tumorkontrollwahrscheinlichkeit
(gewollt!)
NTCP:
Normalgewebskomplikationswahrscheinlichkeit
(unerwünscht!)
Warum ist das Normalgewebe strahlenunempfindlicher?
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2. Krebs und –therapie heute
Wie dann selektiv bekämpfen ? oder das „therapeutische Fenster“
- Erscheint offensichtlich bei der Operation zu sein, aber Nähe zu kritischen
Strukturen neben dem Operationsgebiet oder im Zugangskanal!
- kaum möglich bei der Chemotherapie (Nebenwirkungen!)
- viele Möglichkeiten bei der Strahlentherapie
● Begrenzung der Bestrahlungsfelder auf das Tumorvolumen (s. alte
Röntgenbestrahlung)
● Kreuzfeuertechnik
● verschiedene Strahlungsarten und –energien
● unterschiedliche Fraktionierungs- und Dosierungsschemata
● Radiosensitizer….
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3. Bestrahlungstechniken
● Begrenzung der Bestrahlungsfelder auf das Tumorvolumen
eigentlich unabhängig von „Strahlenquellen“ (diese kommen später)
Stand ca.
1970
PTV:
Planning
Target
Volume
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3. Bestrahlungstechniken
● Begrenzung der Bestrahlungsfelder auf das Tumorvolumen
eigentlich unabhängig von „Strahlenquellen“ (diese kommen später)
Stand ca.
1980
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3. Bestrahlungstechniken
● Begrenzung der Bestrahlungsfelder auf das Tumorvolumen
eigentlich unabhängig von „Strahlenquellen“ (diese kommen später)
Stand ca.
ab 1990
(MLC)
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3. Bestrahlungstechniken
● Begrenzung der Bestrahlungsfelder auf das Tumorvolumen
eigentlich unabhängig von „Strahlenquellen“ (diese kommen später)
MCP96-Absorber am
Linearbeschleuniger
Primus (Siemens)
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3. Bestrahlungstechniken
● Begrenzung der Bestrahlungsfelder auf das Tumorvolumen
eigentlich unabhängig von „Strahlenquellen“ (diese kommen später)
58er-MLC am
Linearbeschleuniger
Primus (Siemens)
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Primus
(2002)
Oncor
(2005)
Artiste
(2008)
Breite
(cm)
1
(innerhalb
± 13,5 cm)
1
0,5
Anzahl
58
82
160
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3. Bestrahlungstechniken
● Begrenzung der Bestrahlungsfelder auf das Tumorvolumen
160er MLC des Artiste (Siemens): 80 leaf-Paare (Wolfram), 5 mm Breite im Isozentrum, max. Feldgröße im Isozentrum (40 x 40) cm2, max. Overtravel: 20 cm
max. Overtravel 20 cm
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3. Bestrahlungstechniken
● Begrenzung der Bestrahlungsfelder auf das Tumorvolumen
Elekta (links) und Varian (rechts) haben vergleichbare MLC, die im Gegensatz zu
Siemens die leaves unter Bestrahlung fahren können (leave-Geschwindigkeit!)
Quellen: elekta.com (links), varian.com (rechts)
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3. Bestrahlungstechniken
● Kreuzfeuertechnik (links als Rotationsbestrahlung, versus nur zwei opponierende Felder (rechts))
Nachteil (links):
„Dosisbad“:
Gefahr für
Induktion von
Sekundärmalignomen
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3. Bestrahlungstechniken
● verschiedene Strahlungsarten und –energien
Einteilungen z.B. in
- Teilchenstrahlung (Elektronen, Protonen, Schwerionen)
- Photonenstrahlung
Beschleunigt werden können nur die geladenen Teilchen.
Die biologische Wirkung am Gewebe erfolgt auch bei Photonenstrahlung
durch Teilchen (Sekundärelektronen), z.B. über DNS-Einfach- oder Doppelstrangbrüche.
Maß ist die Energiedosis als Energieübertrag / Masse (des Gewebes) mit der
Einheit Gray.
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3. Bestrahlungstechniken
● verschiedene Strahlungsarten und –energien:
hochenergetische (6 MV) Photonen
Wachsende Energie:
Maximumstiefe
wandert in größere
Tiefe, rel. Dosis
wächst in gleicher
Tiefe
Einstrahlrichtung
Tumor
Kritisches Organ
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3. Bestrahlungstechniken
● verschiedene Strahlungsarten und –energien:
hochenergetische Elektronen (Teilchenstrahlung)
Wachsende Energie:
Reichweite wandert in
größere Tiefe
Einstrahlrichtung
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3. Bestrahlungstechniken
● verschiedene Strahlungsarten und –energien:
hochenergetische Protonen (Teilchenstrahlung) vs. Photonen
Photonen:
breites Maximum in
Tiefe von ≈ 10 – 20 mm
Protonen:
Maximum mit
wählbarer Tiefe und
Länge (SOBP)
Einstrahlrichtung
Quelle: Menkel, MTRA-Workshop Dresden 02-2015, Protonentherapie
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3. Bestrahlungstechniken
● verschiedene Strahlungsarten und –energien:
hochenergetische Protonen (Teilchenstrahlung) vs. Photonen:
Teilchenstrahlung ist empfindlich gegen Änderungen auf dem Eintrittspfad!
Quelle: Menkel, MTRA-Workshop Dresden 02-2015, Protonentherapie
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4. workflow und Technik
Tumor /
OARIdentifikation
Bestrahlungsplanung und
Simulation
Bestrahlung
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4. workflow und Technik
Tumor / OAR (= organ at risk) –Identifikation: auf Basis CT, MR, PET-CT…
Reproduzierbare Lagerung bis zu rigider Fixierung;
Quelle (links u. Mitte): BrainLab AG
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4. workflow und Technik
Tumor / OAR (= organ at risk) –Identifikation: auf Basis CT, MR, PET-CT…
unterschiedliche bildgebende Verfahren;
Atem-/Organbeweglichkeiten; Zielvolumenkonzepte…
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4. workflow und Technik
Bestrahlungsplanung und Simulation:
auf Basis der Planungs-CT-Scans und der gemessenen Strahlparameter (als
sogenannte Basisdaten) in Bestrahlungsplanungssystemen
Prostata-Ca.-Pläne mit 2 Protonenfeldern (links), Photonen-IMRT (Mitte) und
3D-konformaler Photonentechnik (rechts): beachte Margins, Ballon und „Dosisbad“
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4. workflow und Technik
Quelle: elekta.com
Bestrahlung am medizinischen
Linearbeschleuniger
Oncor-160
(Siemens) mit
In-room-CT
(Siemens) und
ExacTrac-X-Ray
(Brainlab)
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Quelle:
Siemens
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4. workflow und Technik
Bestrahlung am medizinischen Linearbeschleuniger: Artiste (Siemens) mit
X6 und X15, E6 bis E21 isozentrische Bestrahlungstechnik
Gantry: ca. 1 t
Gantrydrehachse
Kollimator/Tischdrehachse
Isozentrum
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Gantrysag: ca. 0,7 mm
Radius der Isozentrumskugel: ca. 1,5
mm
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4. workflow und Technik
Bestrahlung am medizinischen Linearbeschleuniger: Qualitätssicherung bei
isozentrischer Bestrahlungstechnik mit der Therapiestrahlung
Quelle: Brainlab AG
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4. workflow und Technik
Bestrahlung am medizinischen Linearbeschleuniger: Artiste (Siemens) mit
X6 und X15, E6 bis E21
Man muss auch treffen! Sag des Bilddetektors…
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4. workflow und Technik
Bestrahlung am medizinischen Linearbeschleuniger: links Oncor 160
(Siemens) mit In-room-CT (Sensation Open, Siemens) und ExacTrac-X-Ray
(BrainLab), rechts Synergy-Beschleuniger mit EPID und Röntgensystem (Elekta)
Man muss auch treffen!
Quelle: Praxis Distler, Bautzen
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4. workflow und Technik
Man muss auch treffen!
Positionsverifikation einer Prostata mit ExacTrac-X-Ray (Brainlab, links) und inroom-CT (Sensation Open, Siemens, rechts)
Knochenkontrast (oder Fiducials)
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Weichteilkontrast
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4. workflow und Technik
Weitere Linearbeschleunigergeometrien: isozentrischer Ringbeschleuniger
Vero (Vero AG (Brainlab und Mitsubishi) mit 6-MV-Beschleuniger und ExacTrac-XRay-System in der Ringgantry
größere mechanische Stabilität
(Gantry sag→0);
„atmender“ MLC
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4. workflow und Technik
Weitere Linearbeschleunigergeometrien: isozentrischer Ringbeschleuniger
Vero (Vero AG (Brainlab und Mitsubishi) mit 6-MV-Beschleuniger und ExacTrac-XRay-System in der Ringgantry
größere mechanische Stabilität
(Gantry sag→0);
„atmender“ MLC
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4. workflow und Technik
Weitere Linearbeschleunigergeometrien: quasi isozentrischer Ringbeschleuniger
TomoTherapy (AccuRay Inc.) mit 6-MV-Beschleuniger und CT in der Ringgantry;
Tisch fährt in Gantry wie bei CT
größere mechanische
Stabilität (Gantry sag→0);
optimal für Behandlung
langgestreckter
Zielvolumina
Quelle: accuray.com
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4. workflow und Technik
Weitere Linearbeschleunigergeometrien: nicht isozentrischer 6-MV-Beschleuniger auf Roboterstativ
Cyberknife (AccuRay Inc.) mit 6-MV-Beschleuniger und stereoskopischem
Röntgensystem
KleinfeldHochpräzisionsbestrahlung
mit
nahezu real-time
Bewegungskompensation
Quelle: accuray.com
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4. workflow und Technik
Protonenbeschleuniger mit isozentrischer Gantry
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4. workflow und Technik
Protonenbeschleuniger mit isozentrischer Gantry
Dresdner Zyklotron:
Quelle: D. Kunath, S. Menkel
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Durchmesser 4 m
Masse 200 t
Protonenenergie 230 MeV
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4. workflow und Technik
Protonenbeschleuniger mit isozentrischer Gantry
Dresdner Gantry:
Masse = 120 t
Durchmesser = 10 m
Rotation = ± 185°
Quelle: D. Kunath, S. Menkel
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4. workflow und Technik
Protonenbeschleuniger im UKD: zwei Bestrahlungsverfahren
Quelle: D. Kunath, S. Menkel
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4. workflow und Technik
Schwerionenbeschleuniger im HIT (Heidelberg): weltweit erste 360o-Gantry für
Schwerionen (z.B. C12 bis 5,16 GeV) und Protonen
(ermöglicht vergleichende klinische Studien)
Masse = 670 t
Durchmesser = 13 m
Länge = 25 m
Quelle: Universitätsklinikum
Heidelberg, Pressestelle
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5. Vergleichende Betrachtungen
● Medizinischer „Nutzen“ kann nur in umfangreichen vergleichenden prospektiven
Studien nachgewiesen werden (begrenzt durch die Zahl der Zentren!)
● Krankenkassen zahlen in der Regel erst, wenn positive Studienergebnisse für
eine Therapiemodalität vorliegen
● Verträge teilweise nur mit speziellen Krankenkassen (z.B. Uniklinkum Dresden
mit AOK Sachsen):
Kostenerstattung für Protonentherapie: ca. 20 TEuro
zum Vergleich: kurative Photonentherapie ca. 2 – 3 TEuro
Grobe Abschätzung für aktuelle Krebsinzidenzraten und den Anteil der Patienten,
der eine Strahlentherapie erhält:
jährliche Kosten für nur Photonentherapien: ca. 400 Mio Euro
jährliche Kosten für nur Protonentherapie: ca. 4 Mrd Euro
aber die Verfügbarkeit…
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5. Vergleichende Betrachtungen
Photonenbeschleuniger
Protonenanlage
umbauter Raum (m3)
500
50000
Personal
5
40
Gerätekosten1)
3 Mio Euro
120 Mio Euro
Anzahl in D
550
5
Anzahl weltweit
60
1) Kostenunterschiede sind nicht durch vorstehend genannte Erlösdifferenzen
abgedeckt
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6. Ausblick
Fokker 70
Concorde
Idee: W. Enghardt
?
Photonenbeschleuniger
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Protonenanlage
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6. Ausblick
Ziel: Kosten- und Volumenreduktion der Protonentherapieanlagen
(z.B. durch laserinduzierte Protonen (ultrakurze Laserimpulse im
Bereich mehrerer 100 Terawatt) oder andere Lösungen)
in 10 … 20 Jahren???
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.
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