Strahlentherapie und die Rolle der Beschleuniger - Delta

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dortmund
Zentrum für Synchrotronstrahlung
DELTA
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Riezlern,
Riezlern, 9.9.-13. Mä
März 2009
Strahlentherapie
und die Rolle der Beschleuniger
Radiation Therapy
and the Task of Accelerators
Thomas Weis
Fakultät für Physik / DELTA
Beschleuniger in der Strahlentherapie
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aus: Vorlesung SS 2008
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ed
ph
Prof. Dr. Thomas Weis
Fachbereich Physik und
Dortmunder Zentrum für Synchrotronstrahlung
ys
ik
Einführung in die Medizinphysik
MRT/Fa. Philips
Beschleuniger in der Strahlentherapie
Supraleitendes Protonen-Zyklotron/Fa. ACCEL
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• Einleitung
• Energie-Deposition durch Photonen
- Wechselwirkung
- Technik
• Energie-Deposition durch Teilchen
- Wechselwirkung
- Technik
• Zusammenfassung
HIT: Heavy Ion Therapy Facility
Bestrahlung: Protonen – Kohlenstoff
E bis 430 MeV/amu
DKFZ und Uniklinik/Heidelberg
GSI, Darmstadt
Beschleuniger in der Strahlentherapie
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Einleitung
Teletherapie
Bestrahlung aus äußeren
Quellen mit gerichtetem und
kollimiertem Strahl
Brachytherapie
Applikation von
radioaktiven Präparaten
direkt im Körper
125I-Applikation
Zur besseren
Dosisapplikation
auch von mehreren
Seiten
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Beschleuniger in der Strahlentherapie
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Photonen-Primärprozesse
I = I0e
− µd
µ = µ Streuung + µ Absorption
Schwächungsgesetz
Photoeffekt
ComptonStreuung
Beschleuniger in der Strahlentherapie
Paarbildung
Thomson: elastische Streuung von
Photonen an gebundenen Elektronen
Rayleigh: kohärente Streuung eines
Photons am gesamten Atom
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Energieabsorption von Photonen / Profil der Tiefendosis
zur Erinnerung: D = Strahlendosis = absorbierte Energie/Masse
SI-Einheit 1 Gray = 1 Gy = 1 J/kg
Beschleunigerbasierte
Röntgenquellen mit Beschleunigungsspannungen
6 und 15 MV
Cobalt 60-Röntgenquelle
Eγ = 1,2 – 1,3 MeV
Röntgenquelle 200 kV
Beschleuniger in der Strahlentherapie
Strahlentherapie: 100 kV (Haut und
oberflächennah) – 25 MV Beschleuniger
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Massenabschwächungskoeffizient
Abschwächungskoeffizient µ/ρ für
Wasser (ungefähr Gewebeäquivalent)
im wesentlichen 3 Beiträge zur
Energieabsorption (die elastische
Streuung spielt keine Rolle):
• Photoeffekt
• Comptoneffekt (dominierend)
• Paarbildung
für Teletherapie interessanter Bereich 100 keV – 25 MeV
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Compton-Effekt
elastischer Stoß eines Photons mit einem Elektron
Eγ′ =
Eγ
Eγ
1 + 2 (1 − cos θ )
mc
mc 2 = 511keV
Eγ ≫ mc 2
mc 2
Eγ′ (min) =
2
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Differentieller Wirkungsquerschnitt / Compton-Streuung
nach Klein und Nishina
dσ
dθ
Eγ
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Totaler Wirkungsquerschnitt / Compton-Streuung
Energieübertrag auf das Elektron
totaler Wirkungsquerschnitt für
Comptonstreuung
σ tr = σ ges ⋅ EElektron E
γ
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Aufbaueffekt der Dosis
• Bei der Therapie mit
Photonen dominiert
Comptoneffekt
• Energieübertrag auf das
Gewebe geschieht durch
die Elektronen an Orten,
die weiter im Innern des
Gewebes liegen
(Aufbaueffekt)
Hautoberfläche
Beschleuniger in der Strahlentherapie
Gewebe / Organ
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Tiefendosis (%)
Tiefenprofil
Aufbaueffekt bei höheren Photonenenergien
200 kV
Tiefe in Wasser (cm)
Berechnung mit „Monte Carlo“-Methoden
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Strahlentherapie mit Photonen / Technik
a ) Konventionelle Röntgentherapie
Quelle: Salk, Birkner
Universitätsklinikum Ulm
• Oberflächentherapie
10 - 50 kV
• Halbtiefentherapie
60 und 150 kV
• Tiefentherapie
(Orthovolttherapie)
bis ca. 300 kV
Tiefendosisprofile für kleine Energien
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Konventionelle Röntgentherapie
vor etwa 1950 einzige Teletherapie
Nachteile: - zu geringe Eindringtiefe
- ungünstiges Dosisprofil
- nur oberflächennahe
Anwendungen
Beispiel: RT 100 Philips
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b ) Telekobalt-Therapie
Quelle: Salk, Birkner, Universitätsklinikum Ulm
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Telekobalt-Therapie
• größte Verbreitung 1950 – 1970
Ersatz für 137Cs-Quellen
• Vorteil: hohe γ-Energie, Dosisprofil mit
Aufbaueffekt und großer Tiefe
• bis zu 300 TBq = 8100 kCi in einem
Volumen von etwa 5 cm3.
Gammatron S
Fa. Siemens
Bestrahlungskopf
mit Abschirmung und Verschluss
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c) Betatron
• med. Anwendung ab 1948
Betatron
Donald William
Kerst (1940)
Univ. of Illinois
20 MeV
2.3 MeV
nach Ideen und ersten Tests von Rolf Wideroe (1928)
Beschleuniger in der Strahlentherapie
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Elektrisches Wirbelfeld erzeugt durch
R ɺ
Induktion:
E =
2
B
Impuls p folgt ansteigendem Magnetfeld
1 ɺ
eRB
2
p=
1
eRB
2
Bahnradius R ist konstant
R=
p
eBF
pɺ = eE =
Wideroe-Bedingung:
1
BF = B
2
B(r)
Beispiel: R = 20 cm, BF = 1 Tesla. Wegen v ~ c gilt hier
E = pc und daher Ekin = ecRBF = 60 MeV
Strahl
25 – 45 MeV typisch für medizinischen Anwendungen
r
Beschleuniger in der Strahlentherapie
R
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Das 42 MeV-Betatron der
Universität Freiburg
15 MeV Betatron 1956 / Fa. Siemens
In der modernen Strahlentherapie durch Linearbeschleuniger verdrängt.
Gründe: einfachere Ausführung und Wartung, kostengünstiger, höhere Dosisleistungen
Beschleuniger in der Strahlentherapie
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d) Elektronen-Linearbeschleuniger
Beschleuniger in der Strahlentherapie
• ab etwa 1960 Ersatz der Betatrons
durch Linearbeschleuniger =
LINACS
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Elektronen-Linearbeschleuniger
Beschleuniger in der Strahlentherapie
• Elektronen-Linearbeschleuniger
bis 25 MeV
• Photonen durch Bremsstrahlung
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Elektronen-Linearbeschleuniger / Technik
• Methode der Hochfrequenz-Teilchenbeschleunigung
Ansatz: zylindrischer Hohlleiter
• Erzeugung einer elektromagnetischen
Welle mit einer Ausbreitungsgeschwindigkeit (Phasengeschwindigkeit),
die der Elektronengeschwindigkeit
v ~ c entspricht,
• verbunden mit einer longitudinalen
elektrischen Feldkomponente, die das
Elektron quasi „begleitet“ und dauernd
für eine Beschleunigung sorgt („SurferPrinzip“) Ez
Elektronenbunch
Beschleuniger in der Strahlentherapie
Probleme:
1. Phasengeschwindigkeit > c
2. elektrische Komponente senkrecht
zur Ausbreitungsrichtung
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Elektronen-Linearbeschleuniger / Technik
Lösung:
• Einbau von Blenden.
• Wanderwelle aus einem
Magnetron oder Klystron
• E > 10 MV/m
• Magnetrons: 2,5 – 3 MW
Klystrons: bis 7 MW
• Pulsdauer: ~ einige µs
Wiederholrate: einige Hz
Dimensionen:
Durchmesser ~ 10 cm
Länge ~ 1 – 2 m
Frequenz: 3 GHz
• sehr effiziente HF-Erzeugung, Wirkungsgrade
η > 50%
Beschleuniger in der Strahlentherapie
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Dosisapplikation bei der Bestrahlung / Einzelfeld-Bestrahlung
Gesamte (Soll-)Dosis im Referenz-Punkt
durch ein Feld
• Dosis im Referenzpunkt = 100%
• Dosismaximum (ca. 160 %)
• inhomogene Dosis
im gesamten
Behandlungsfeld
min.: ca. 96 %
max.: ca. 129 %
Quelle: Salk, Birkner
Universitätsklinikum Ulm
PTV = planning target volume
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Dosisapplikation bei der Bestrahlung / Gegenfeldbestrahlung
Dosisverlauf entlang Zentralstrahl
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Quelle: Salk, Birkner
Universitätsklinikum Ulm
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Dosisapplikation bei der Bestrahlung / Gegenfeldbestrahlung
• Gewichtung: 50% : 50%
• Dosismaximum ca. 109 %
• Homogene Dosis im PTV
• Großes „Treated Volume“
min.: ca. 96 %
max.: ca. 104 %
Quelle: Salk, Birkner
Universitätsklinikum Ulm
PTV = planning target volume
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Dosisapplikation bei der Bestrahlung / Mehrfelderbestrahlung
• Gewichtung: 25% : 25% : 25% : 25%
• Dosismaximum ca. 102 %
• Homogene Dosis im PTV
• „Treated Volume“ ~ PTV
Min.: ca. 96 %
Max.: ca. 102 %
im Tumorgewebe !
Quelle: Salk, Birkner
Universitätsklinikum Ulm
PTV = planning target volume
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3D-Dosismodellierung bei der Bestrahlung
• Modellierung des Strahlungsfeldes mit
Multileaf-Kollimatoren (MLC) aus
Wolfram-Blöcken
Beschleuniger in der Strahlentherapie
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Energiedeposition durch Teilchen / Technik
a) Elektronen
• Verwendung des Primärstrahls
von Elektronen-Linearbeschleunigern.
• Energieverlust der Elektronen
durch Stöße und Bremsstrahlung.
• Anwendungen für Oberflächenbestrahlung und zur Behandlung
von oberflächennahen Tumoren.
Quelle: Salk, Birkner
Universitätsklinikum Ulm
Tiefendosisverteilung für Elektronen
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b) Neutronen
• Erzeugung schneller MeV-Neutronen durch Beschuss von Lithium (Li) oder
Beryllium (Be)-Targets mit hochenergetischen Protonen oder Deuteronen über
(p.n)-Reaktionen. Beispiel: p + 9 Be → 9 B + n
4
5
• Erzeugung thermischer Neutronen in Spaltreaktoren mit anschließender
Moderation
• Neutronen wechselwirken nur durch Kernstöße oder Absorption. σ abs ∝ 1
En
Absorptionsquerschnitt hängt von Neutronenenergie ab.
Wechselwirkungsquerschnitte für thermische
Neutronen (kT ~ 1/40 eV).
1barn = 1b = 10−24 cm 2
Beschleuniger in der Strahlentherapie
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Strahlentherapie mit schnellen Neutronen
Sehr hohe biologische
Wirksamkeit in sauerstoffarmem Gewebe
Neutronen aus
(p,n)-Reaktion
66 MeV p auf Be
SOBP = spread out
Bragg peak
Beschleuniger in der Strahlentherapie
Quelle: iThemba-Labs, Südafrika
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Strahlentherapie mit thermischen Neutronen
• Moderne, zukunftsweisende Therapieform in Forschungsphase. Anreicherung
eines Isotops mit hohem Einfangquerschnitt für thermische Neutronen im Tumor.
• Bestrahlung mit thermischen Neutronen und Energiedeposition nur am Zielort.
• An Forschungsreaktoren
• Problem ist die selektive Anreicherung im Tumor.
• Beispiel: BNCT, Boron neutron capture
therapy
10
5
B + n → 37 Li + 24 He
Anwendungen:
Glioblastom (Hirntumor) mit
schneller Ausbreitung
> 15.000 Menschen/ a in Europa
Beschleuniger in der Strahlentherapie
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c) geladene Hadronen (Protonen, Alphateilchen, leichte (schwere)
Ionen..)
• Primär: Coulomb-Wechselwirkung mit Elektronen im Gewebe.
• Sekundär: γ−Photonen, Elektronen, Neutronen
• Beschreibung des linearen Energieverlusts durch Bethe-Bloch:
mit
2
2 2 2

dE
z
n
2
mc
β γ
2
2
2
−
= 4π re mc ⋅ 2 ⋅  ln
−β 
dx
β 
I

re = 2,8 ⋅10−15 m klass. Elektronenradius
mc 2 = Ruheenergie des Elektrons
z = Ladung des Projektils
n = Elektronendichte des Materials
I = mittleres Ionsierungspotential ~ Z ⋅13.5eV
Z = Ordnungszahl des Materials
β , γ = relativistische Konstanten
Beschleuniger in der Strahlentherapie
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Bethe-Bloch für v << c
dE nz 2
−
∝ 2
dx
v
 2mv 2 
⋅  ln

I


Das Bremsvermögen hängt
also im wesentlichen von der
Ladung des Projektils z, von
der Elektronendichte n und der
kinetischen Energie des
Projektils ab. Das Bremsvermögen und damit der Energietransfer nimmt für kleine
kinetische Energien stark zu.
Beschleuniger in der Strahlentherapie
1 dE
−
ρ dx
Hinweis: Maximum bei 60 – 100 keV
wegen Elektroneneinfang
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Linearer Energie Transfer LET
dE
−
= LET
dx
Sekundärteilchen deponieren etwa 70%
der gesamten Energie. Sekundärteilchen
oft mit kleinen Energien und damit
lokalem Energieeintrag.
LET für wasseräquivalentes Gewebe
für typische Strahler der Teletherapie
Beschleuniger in der Strahlentherapie
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Bragg-Peak
1 dE
−
ρ dx
• Stark zunehmender LET für
kleine Teilchenenergien
führen zum Bragg-Peak.
Aufstreuung der Teilchen
(„Straggling“) weichen Profil
auf.
Beschleuniger in der Strahlentherapie
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Bragg-Peak / Ionen
• Bessere Dosiskonzentration
am Zielort verglichen mit
Protonen
• erhöhte Aufschauerung durch
Fragmente.
• erhöhte biologische
Wirksamkeit
Beschleuniger in der Strahlentherapie
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Protonen- und Ionentherapie / Technik
wichtigste Beispiele:
Protonentherapie mit Zyklotrons
B
qB
ω=
γm
Zyklotronfrequenz
Anpassung des Magnetfeldes
B = B(r).
Hier ist „Dauerstrichbetrieb“
möglich.
Isozyklotron
Beschleuniger in der Strahlentherapie
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Beispiel: Protonen-Therapie am Paul-Scherrer-Institut / Villigen, Schweiz
• Protonentherapie von Augenhintergrund-Tumoren seit 1984
(4800 Patienten). Protonenstrahl aus Zyklotron der Neutronenquelle
• seit 2007 Bestrahlung auch tiefliegender Tumore. Neues supraleitendes 250 MeV Zyklotron
(Fa. ACCEL/Varian). Neue
Bestrahlungseinrichtungen.
Blick in das supraleitende
250 MeV-Zyklotron
Beschleuniger in der Strahlentherapie
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Beispiel: Protonen-Therapie am Rinecker Proton Therapie Zentrum, München
• im Aufbau: Bestrahlungszentrum
basierend auf supraleitendem
250 MeV Zyklotron
(Fa. ACCEL/Varian).
Strahlführung zu
den Therapieplätzen
http://www.rptc.de/
250 MeV Zyklotron
Beschleuniger in der Strahlentherapie
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Rinecker Proton Therapie Zentrum, München
5 Bestrahlungsplätze mit Zyklotron
(links),
Strahlführung,
4 Gantries (s. unten)
Beschleuniger in der Strahlentherapie
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Rinecker Proton Therapie Zentrum, München
Bestrahlungsplatz: Patient ortsfest.
Gantry ermöglicht Drehung der Strahlführung um 3600.
weitere Zentren in Planung / Aufbau
Beschleuniger in der Strahlentherapie
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Protonen- und Ionentherapie / Technik
wichtigste Beispiele:
Ionentherapie mit Synchrotrons
HIT-Zentrum / Heidelberg
Heavy Ion Therapy
Uniklinik Heidelberg,
DKFZ Heidelberg,
Gesellschaft für Schwerionenforschung GSI, Darmstadt
Tumorbehandlung mit
Protonen - Kohlenstoff
Beschleuniger in der Strahlentherapie
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Ionentherapie
Vorteile der Dosis-Applikation mit
Ionen.
Energie-Scan erlaubt „Dose-Shaping“
Quelle: GSI
Beschleuniger in der Strahlentherapie
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Ionentherapie
Vergleich von Dosisverteilungen:
4-Feld Röntgenbestrahlung
Beschleuniger in der Strahlentherapie
2-Feld-Bestrahlung mit
Kohlenstoff
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Ionentherapie / Technik
• Aufwendige Injektortechnik
• Erzeugung hochgeladener
Ionen (z.B. C6+)
• Erfahrung aus Technik der
Schwerionenforschung
Beschleuniger in der Strahlentherapie
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Ionentherapie / Technik
• kompaktes Synchrotron liefert
Protonen: 48 – 221 MeV
Kohlenstoff: 88 – 430 MeV/A
Beschleuniger in der Strahlentherapie
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Ionentherapie / Technik
weltweit erste
Ionen-Gantry
Ionenstrahl beim
Eintritt
Strahlführung drehbar
um 3600.
Beschleuniger in der Strahlentherapie
Bestrahlungsraum
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Ionentherapie / Raster-Scan-Verfahren
3D-Dosisverteilung
wird erreicht durch
volle Kontrolle des
Strahls in Energie, Ort
und Winkel
IC =
Ionisationskammer
MWPC =
VieldrahtProportionalzähler
Beschleuniger in der Strahlentherapie
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In-Beam-Positronen-Emissions-Tomographie / In-Beam-PET
• Strahlteilchen erzeugen über Kernreaktionen mit im wesentlichen
Kohlenstoff und Sauerstoff die
Positronenemitter 11C und 15O.
• Aktivität der erzeugten Positronenemitter ist proportional zur Dosis.
Dies erlaubt Bestimmung und
Lokalisierung der deponierten
Dosis während der Bestrahlung
Bestrahlungsrichtung
• Einsatz von Gamma-Kameras am
Bestrahlungsplatz
TU, FZ Dresden, Heavy Ion Therapy
Center (Heidelberg), GSI (Darmstadt)
Beschleuniger in der Strahlentherapie
Bestrahlungsplatz an der GSI, Darmstadt
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In-Beam-PET
Erzeugung von Aktivität
durch Target-Fragmente
Maximum der Aktivität
durch ß+-aktive
Fragmente
Vergleich von berechneter Dosis und Aktivitätsmessung
über In-Beam-PET für unterschiedliche Projektile
Quelle: TU, FZ Dresden, HIT (Heidelberg)
Beschleuniger in der Strahlentherapie
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In-Beam-PET
Vergleich zwischen berechneter Dosisverteilung (Monte-Carlo-Simulation,
links) und gemessener Dosisverteilung über In-Beam-PET (rechts)
Quelle: TU, FZ Dresden, HIT (Heidelberg)
Beschleuniger in der Strahlentherapie
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Zusammenfassung
• Moderne Strahlungstherapie ohne Beschleuniger nicht denkbar.
• Neue Therapieansätze auch in Verbindung mit bildgebenden Verfahren
• zunehmend auch ökonomisch interessant.
• Aufstrebendes Feld
Beschleuniger in der Strahlentherapie
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