Ionen-Strahlentherapie in Heidelberg

Ionen-Strahlentherapie
in Heidelberg
Freudenstadt, Oktober 2013
Stephan Brons
Heidelberger Ionen Therapie
Überblick
• Warum Strahlentherapie mit Ionen?
• Das Rasterscan-Verfahren
• Konzept, Mission und Realisierung des
Heidelberger Ionentherapie Zentrums (HIT)
• Ausblick
Alles begann 1904 in Australien…
“The recorded ionization curves
brought to light a fact, which we
believe to have been hitherto
unobserved. It is, that the
a particle is a more efficient ionizer
to-wards the extreme end of its
course.”
Bragg WH, Kleeman R. On the ionization curves of radium. Phil. Magazine 1904; S.6: 726–38.
• Einführung der Röntgen-Diagnostik in Australien 1896
• Nobel-Preis in 1915 zusammen mit seinem Sohn Wiliam Lawrence Bragg
Tiefendosisverteilungen
• Mit zunehmender Tiefe ist der Bragg-Peak niedriger und breiter.
• Das Verhältnis Peak-to-Plateau ist am größten für kleinste Energien!
Spread Out Bragg Peak - SOBP
Erzeugung eines ausgedehnten Bragg-Peaks durch Überlagerung
mehrerer Bragg-Peaks unterschiedlicher Strahlenergie
Therapeutischer Vorteil
• Schonung des Gewebes im Eintrittsbereich
• Keine / wenig Dosis hinter dem Tumorvolumen
Die Pioniere in Harvard und Berkeley
Robert Wilson 1946: “Radiological use Ernest Lawrence, Glenn Seaborg and Robert
of fast protons,” Radiology 47, 487.
Oppenheimer in 1946 at the control panel of
the 184-Inch Cyclotron (125 MeV, 4000t).
• J. Lawrence begann ST mit He in 1957 und schwereren Ionen in 1977
• Insgesamt wurden 2482 Patienten mit He, C, Ne, Si, Ar bis 1992 behandelt
Ionentherapie / Strahlenbiologie
Lokal sehr hohe Dosis
Zellüberleben
LET-abhängig
Gewebe-abhängig
=> Biologische Selektivität!
RBW und OER
He: ▲, 12C: ●, 20Ne: ▼
Weyrather Int.J.Rad.Biol. (1999)
Furusawa Rad.Res. (2000)
Survival
• Erhöhte RBW in resistenten Tumoren
• Verbessertes Ansprechen in hypoxischen
Tumoren
Klinische Relevanz bleibt zu zeigen
Elsässer, IJROBP 2010
In vivo Monitoring mit PET
PET
n

PET
Dose [kGy]

Dose
6
4
2
Vergleich mit berechneter
Aktivitätsverteilung
Events [103]
0
5
+-Activity
0
0
50
100
Range [mm]
150
200
PET / Schädelbasistumor
PET-Messung
(GSI, Darmstadt)
Dosis Verteilung
12C
Situation und Bedarfslage
Relevanz der lokalen Tumorkontrolle
(EU-Studie 1991)
•
•
•
2/3 der Patienten sind lokal
erkrankt zum Zeitpunkt der
Diagnose
In 18% scheitert der lokale
Therapieansatz => 280.000
Tote/Jahr in der EU
Protonen und Ionen haben das
Potential 30.000 Patienten/Jahr
in der EU zu heilen
Indikationen
Risikoorgan
•
•
Lokalisationen: Hirn and
Schädelbasis, Prostata, Leber,
Lunge, Weichteilsarkome
Charakteristik: tiefliegende und
strahlenunempfindliche
Tumoren in der Nähe zu
Risikoorganen
tumorkonforme
Dosisverteilung
Tumor
Das Rasterscan-Verfahren
Aktive Energievariation
Intensitätsmodulation
Fluenzverteilung in einer einzelnen
Schnittebene des Zielvolumens
Vergleich mit IMRT
IMRT: 9 Felder
Kohlenstoff: 2 Felder
Laterale Aufstreuung
(300 MeV/u)
Vielfachstreuung von Ionen
(E. Rutherford)
(200 MeV)
depth [cm]
• Je schwerer die Ionen, desto
geringer die laterale Streuung
• Vernachlässigbare Seitenstreuung
von 12C-Ionen im Vergl. zu Protonen
Aufstreuung
12C-Ionen
(GSI)
Protonen (Capetown/SA)
Vorteil durch Rasterscanning und geringere Seitenstreuung
The dose conformation potential
Example: 12C RT of skull base
chordomas
Excellent sparing of normal tissue and highly effective RT
Heidelberger Ionen Therapie (HIT)
HIT / Layout
•
•
•
•
•
•
Volle klinische Integration
Kompaktes Design
Rasterscanverfahren
Bestrahlung mit mehreren
Teilchensorten im schnellen
Wechsel
Weltweit erste scannende
Schwerionengantry
Ca.1000 Patienten/Jahr
HIT / LINAC
Cooperation: GSI + IAP Frankfurt/M.
• Compact design
• Proven technology
• Fast change of the
ion species
• Fast intensity
variation (range
1-1000)
• Constant beam
parameters
Ion source
RFQ
HIT / Synchrotron
• Compact design
• Proven technology
• Multi-turn injection
=> high intensities
Multi-turn
injection
• Flexible beam extraction
(optimized for raster
scanning)
• Fast energy variation
Multiple extraction
0.5 to10 s
HIT / Beschleuniger
Ionenquellen
Synchrotron
HIT / Medizintechnik
Abteilungsweites Workflowkonzept
(Photonen- und Teilchentherapie)
Horizontalplätze:
• roboterbasierter Patiententisch
• roboterbasiertes digitales Röntgen
• C-Bogen
• 30 Hz
• computertomographiefähig
• In-beam PET
Gantryplatz:
Integration von
• roboterbasierter Patiententisch
• digitales Röntgen
• PET-Option vorgesehen
HIT / Robotertechnik
Robotergesteuerter Behandlungstisch
Robotergesteuerter C-Bogen
Automatische Lagerungskorrektur
HIT / Scannende
Schwerionengantry
• Optimale Dosisapplikation
durch beliebige
Einstrahlrichtungen
• Weltweit erste
Schwerionengantry
• Erstmalige Integration des
Rasterscanverfahrens
• 13m Durchmesser
25m Länge
600to Gesamtgewicht
420to drehend
0,5mm max. Deformation
Gantry Zusammenbau
Gantry Patientenraum
Status
2009
14
2010
214
2011
435
2012
564
2013
517
• Erste klinische Ionentherapie-Anlage in Europa
• Ca. 600 Patienten/Jahr
• Finanzieller Break Even erreicht.
Klinische Anwendung (1): Schädelbasistumoren
Dose Volume
Histogram (DVH)
• Primäre Ionen-Therapie
• 2 Felder
• 60 GyE in 20 Fraktionen
Ergebnisse (1): Lokale Tumorkontrolle
IMRT
Kohlenstoff
Schulz-Ertner et al., 2/2004
Pilotprojekt 12C-Therapie bei GSI
Ergebnisse (1) cont„d
12C
P und 12C
Konventionelle ST
[Schulz-Ertner et al., IJROBP 2006]
Ca. 80 Re-Bestrahlungen
Ergebnisse (1) cont„d
• Clivus-Chordom: Subtotale Resektion in 1996
• Proton Therapie 79.2 GyE, 1996
• 11/98 Tumor Rezidiv 20.8 Gy Photonen + 27 GyE 12C Boost
Pilotprojekt 12C-Therapie bei GSI
Klinische Anwendung (2): ACC„s
Kombinationstherapie:
• IMRT-Bestrahlung
54 Gy auf PTV
• Kohlenstoff-Boost
18 GyE auf GTV
Grund:
• Normalgewebe im PTV
• Robustere Pläne
• Mehr Patienten
Lokale Tumorkontrolle (2)
Lokal fortgeschrittene adenoidzystische Karzinome
12C
+ IMRT
IMRT
Schulz-Ertner et al., 2005
Pilotprojekt 12C-Therapie bei GSI
Die Zukunft der Ionenstrahl-Therapie
Proton and Ion Beam Radiation Therapy
Number of patients
Patientenzahl
80000
Protonen
70000
60000
50000
40000
30000
20000
Ionen
davon 12C
10000
0
1955
1960
1965
1970
1975
1980
1985
1990
1995
2000
Zeit
Time
Protons
• Protonen:
• Schwerionen:
Ions
thereof Carbon Ions
2005
2010
Daten von
http://ptcog.web.psi.ch
(12/2010)
Etabliert in der klinischen Routine
Startklar für breitere klinische Anwendung
• Klinische Studien zur Klärung der Rolle der Ionenstrahl-Therapie
in der Radioonkologie:
Indikationen? Ionensorten? Fraktionierung? …
Ionentherapie weltweit 2013
HIMAC, Chiba
HIBC, Hyogo
HIT, Heidelberg
CNAO, Pavia
HIMC, Gunma
MedAustron, Wiener Neustadt
• Saga, Tokyo Bay, Yokohama, Obu-City (all Japan)
• Marburg, Lyon, Caen, Shanghai, Lanzhouh…
Daseinsberechtigung
Potentielle Vorteile von Ionenstrahlen:
• Höhere Dosis-Konformation
• Reduzierte integrale Dosis
• Erhöhte biologische Wirksamkeit im Bragg-Peak
Was ist die klinische Relevanz?
Offene Fragen:
• Gibt es einen klinischen Vorteil?
• Für welche Tumoren?
• Für welche Ionen-Sorten?
Dedizierte, klinische Ionenstrahl-Therapieanlagen
Nächste Schritte
• Mehr Strahlzeit für Forschung
• Inbetriebnahme aller Gantry-Winkel
• Andere Ionensorten
Ionensorten
RBW für fraktionierte Bestrahlung von Mäuse-Krypten (Berkeley):
Protonen: Tepper et al. 1977
Ionen: Goldstein et al. 1981
Forschungsthema: Organbewegung
Lungen Tumor
(4D-CT)
bewegt
statisch
E.Rietzel (MGH) und C.Bert (GSI)
=> Interplay-Effekte
Bewegungskompensation
Organbewegung
Lösung:
Bewegungskompensation
magnetic scanner
Wedge system
dynamic treatment plan
motion tracking
system
Klinische Studien
Klinische Studien: Leberkarzinome
Ausgangslage
4 Wochen post
D. Habermehl, 12/2011
4x10 Gy (RBE)
Prometheus Studie
Aktivierungsmessung mittels PET-CT @ HIT
(J. Bauer)
12 Wochen post
Spontanes Remission
Petroklives Chondrosarkom
Vor RT
6 Wochen nach 12C-RT
Pilotprojekt 12C-Therapie bei GSI
Vielen Dank!