Strahlentherapie

Strahlentherapie
Wechselwirkung Photonen – Materie
Photoeffekt
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Stoß zw. Photon und Elektron der Atomhülle
τ = Photoabsorptionskoeffizient
τ / ρ = Massen-Photoabsortptionskoeffizient
char. Röntgen und/oder Augerelektronen
Comptoneffekt
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Photon -> Compton-Elektron + Compton-Photon
Paarbildung (in Atomhülle)
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Nicht im Vakuum
Teilchen-Antiteilchen wird erzeugt
Photon mit min. 1022 keV
Paarbildungskoeffizient: κ ~ Z * ρ ln (E_y)
Triplettbildung (mit el. Feld eines Elektron)
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Photon mit min. 2044 keV
Elektron-Teilchen-Antiteilichen
Röntgenstrahlung und Comptoneffekt
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Therapeutisch: Streustrahlung erheblich weicher
Diagnostisch: Streustrahlung kaum weicher
Tiefendosisverteilung
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Relative Tiefendosis in Abh. der Eindringtiefe
Dosis-Aufbaueffekt
Wechselwirkung Elektronen – Materie
Stoßbremsung
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Unelastischer Stoß Elektron-Materie
Energieverlust der Materie mit Bethe-Bloch
Tiefpunkt in Bethe-Bloch-Formel resultiert aus relativistischer Massenzunahme (97% von c)
Strahlungsbremsung
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Elektron wird im Feld des Atomkerns abgebremst -> Röntgenbremsstrahlung
Bremsstrahlungsspektrum ändert sich bei steigender Energie kaum
-> Absorptionsverhalten schon (erste Spitze steigt -> mehr Energie)
Bahnlänge und Reichweite von Elektronen
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Mittlere (wahre) Bahnlänge,
Mittlere, Praktische Reichweite, Maximale Reichweite
Tiefendosisverteilung
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Eindringtiefe steigt mit steigender Energie
D/D_max fällt aber immer
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Strahlentherapie
Schwere geladene Teilchen
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Nur Stoßbewegung für Ionen
Bethe-Bloch für Ionen
Tiefendosisverteilung
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Energieverlust steigt ab best. Eindringtiefe steil an
Reichweite und laterales Straggling
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Streuung nimmt linear mit Reichweite zu
Laterale Ablenkung steigt mit Eindringtiefe (leichte Teilchen -> stärker)
Kernreaktionen
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Projektil + Target
o Ablation: Abgedampfte Nukleonen und Cluster
o Abrasion: Fragmente und Feuerball
Niedrigerere Bragg-Peak-Amplitude (Bremsvermögen)
Fragmentierung steigt mit Z und E des Projektils
Elektronische (unelastische mit Elektron)
Nukleare Wechselwirkungen (elastisch mit Kern)
Tiefendosisverteilung
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Nach Bragg-Kurve
Kann modifiziert werden (Spread-out Bragg-Peakt)
o Strahl mit mehreren Energien
Photon vs. Ion
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Photon gibt Energie meißt in einem (oder wenige Stößen ab)
-> Stark abfallende realtive Dosis
Ion Kein Bragg-Peak der abh. von Energie und gewünschter Eindringtiefe ist
Wechselwirkung Neutronen mit Materie
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Keine Coulombwechselwirkung (Ww nur mit Kernen)
N-Kern-Wechselwirkung (abh. Energie des Neutrons, Radius, Eigenschaften und
Nukleonenkonfiguration)
Schnelle neutronen Strahlenbiologisch sehr wirksam
Elastische Neutronenstreuung
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Restenergie abh. von Streuwinkel und Nukleonenzahl
Vorwärts-/Rückwärtsstreuung
Weitere:
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Unelastische Streuung
Neutroneneinfang mit Emission (geladener Teilchen oder Photonen)
Neutronen induzierte Kernspaltun
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Strahlentherapie
Biologische Wirkung ionisierender Strahlung
Dosis
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Dosis [Gy] = deponierte Energie / Masse
1 Gy -> Wasser um 0.00024°C wärmer
Gewebezerstörung nicht durch Erwärmung sondern Zerstörung von Molekülbindungen durch
die ionisierende Strahlung
RBE - Relative Biologische Wirksamkeit
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RBE = D von 250kV Röntgen / D(andere gewählte Strahlung)
Wirksamkeit im Vergleich zu Röntgen
Zellüberleben wird über die Dosis aufgetragen
OER - Oxygen Enhancement Ratio
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OER = D(anaerob) / D(aerob)
Zellüberleben über Dosis
Mehr Sauerstoff führt zu mehr freien Radikalen führt zu mehr Schäden im Gewebe
DNA als Target der Strahlenwirkung
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Direkt durch z.B. Elektron
Indiriekt durch OH
Einfache Schäden vs. Kompelxe Schäden
Radiotherapie
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Tumor vernichten -> umliegend bleit gesund
Brachytherapie
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Strahlenquelle nah an Tumor bringen
o Kontakt -> oberflächennah
o Interstitiel -> permanent oder temporär in Tumor
o Intrakaviatär -> in Hohlräume
o Nachlade -> vorverlegte Appikatoren
Radionuklidtherapie
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Selektives Anlagern von Radioisotopen (Nuklearmedizin)
Teletherapie
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Bestrahlung durch externe Geräte (d>10cm)
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Strahlentherapie
Beschleuniger
-Kreis vs. Linear
Linearbeschleuniger
Die Beschleunigung (Stehwellenbeschleuniger)
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Stehwellenprinzip/Prinzip des Wlelenreiters
Teilchen passieren Röhren -> In jeder werden sie beschleunigt -> in jeder ist das elektirsche
Feld maximal (Beschl. Nach rechts) -> Durchlaufzeit der Elektronen und Frequen angepasst
Die Hochfrequenzerzeugung (Klystron)
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Aufbau: Kathode – Buncher Hohlraumresonator - Drift – Catcher Hohlraumresonator - Anode
Elektronenstrom wird geschwindigkeitsmoduliert (Buncher) -> diese bewirkt
Dichtemodulation -> es entstehen Elektronenpakte -> Teil der Energie der Pakte kann als HFEnergie am Catcher entnommen werden -> Verstärkung durch Energieübertrag
Der Strahlerkopf
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-
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Bündelung, Kollimierung, Strahldiagnose, (Photonenerzeugung)
Streufolienverfahren
o verursacht breiteres aber schwächeres Feld
o Doppelfolien für Streuung niedriger Energien
Kollimatoren (Elektronen)
o Primär: zwischen Streufolien
o Sekundär: beweglicher Blendensatz
Photonenerzeugung mittels Bremstarget und Ausgleichsfilter (für laterale Streuung)
Kollimator (Photonen): Multi-Leaf-Kollimator
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Strahlentherapie
Ringebeschleuniger
Isochronzyklotron
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Umlaufzeit gleich -> Magnetfeld abh. vom Radius und HF-Spannung konstant
Radialbeschleuniger von Ionen
Hochfrequenz zwischen zwei Magnetfelder -> Ionen auf Kreisbahn beschleunigt -> Drift nach
außen -> Abgreifen
Problem: relativistische Massenzunahme -> mehr Energie zum Beschleunigen notwendig
o Bahnbedingung: F_zentr = F_lorentz -> m*v² /r = q * v * B
o Isochron Bedingung w = v/r = q * B / m = const -> B / m = const
-> B_0 ) = B(r=0), B(r) = m(r) * B_0 * m_0
o
-
Oder
mit
Radial wachsendes Magnetfeld durch Verringerung des Polschuhabstandes
-> führt zur axialen Defokussierung
Axiale Fokussierung: Sektormagneten mit Ridges und Valleys
Synchrozyklotron
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M-Feld konstant, HF-Frequenz wird nach außen gesenkt
Synchrotron
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Radius konstant -> M-Feld und Frequenz erhöhen
Ablenkmagenete mit Beschleunigungsstrecken (gerade Bahn)
Feld der Ablenkmagnete wächst proportional zum Teilchen-Impuls
Beschleunigun gmit synchronisierten hochfrequenten Wechselfeldern
Vorbeschleuniger/Injektor notwendig
Höhere Energie als bei Zyklotrons
Phasen
o Füllen: E und B konstant
o Beschleunigen: E und B und v steigen
o Extraktion: E und B konstant
Strahlführungen
Aktiv
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Ablenkmagnete
Step and Shot
Kontinuierlich
Passiv
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2D-Aufweitung über Streusystem
Reichweite-Modulator: SOBP
Reichweite-Shifter: Verschiebung des SOBP
Kollimator: Begrenzung
Kompensator: Tumorkontur
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Strahlentherapie
Telekobaltkanone
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Strahlerkopf hat Cobalt-Isotop -> Gammastrahlung
Evlt Auferstehung -> gute Dosisverteilung
Brachytherapie
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Seeds
o Seeds werden implantiert
o Seeds sind mit Radioaktiven Material gefüllt
o Können permanent implantiert werden
o Livetracking
o
Nadelimplantation
o Temporäre Nadel
o Low Dose Rate, High Dose Rate
o Nachladegerät ferngesteuert
o Präzise Dosisverteilung
Electronic Portal Imaging
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Bildgestützte Therapie -> Tumor kann sich in Form und Größe ändern
Compton-Wechselwirkung der harten e-Linac Strahlung detektiert
Ausleseprinzip bei z.B. amorphem Silizium
 Zeile für Zeile geschaltet und gelesen
Multi-Leaf Kollimatoren (3D konforme Radiotherapie)
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Paarweise verstellbare Wolframscheiben
Step and Shot
Sliding Window
IMRT – Intensitätsmodulierte Radiotherapie
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Intensitäten werden abgeschwächt um Dosisverteilung zu erhalten
IMRT vs. Mulit-Leaf
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Problemstellung IMRT: es kann gut gezielt werden; Zielbereich schlecht eingegrenztbar
 Zusätzl. Intensitätsmodulation notwendig
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Strahlentherapie
Tomotherapie
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Strahlen von allen Seiten wie wie Tomographie
Cyberknife
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Röntgenröhre (-kanone )
mit Strahlnachführung
Gammaknife
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Helm der Dosisverteilung reguliert -> schirmt ab oder lässt durch, positionierbar
Intensitäts modulierte Partikeltherapie (IMPT)
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Ablenkmagnete
Filter für Intensität und Position
Dosis-Tiefenverteilung gleichmäßiger
IMRT vs. IMPT
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Dosisverteilugn gleicht sich fast
Bildgeführte Strahlentherapie
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Vermeiden von Positionsfehler
Kompensieren von Organbewegungen
Kompensieren von Inter- und intrafraktionellen anatomischen Veränderungen
 Schonung gesunden Gewebes
Prinzipien
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Tracking: Räuml. Verteilung des Strahles
Gating: Zeitl. Verteilung des Strahles (z.B. Atemkompensation)
Markerbasiertes Verfahren (auch implantierbare)
Soll/Ist Vergleich mit Nachführung des Patienten
o Ultraschall
o MRI
o Röntgen CT
o Stereoskopische Kameras
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