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Weltweit höchste Präzision bei einer Bestrahlung

Rasterscan
Rasterscan

Im MIT wird eine spezielle Bestrahlungsmethode, das so genannte „Intensitätsmodulierte Rasterscan-Verfahren“ eingesetzt. Es ermöglicht die optimale Abdeckung des Tumors und gleichzeitig eine weitgehende Schonung des umliegenden Gewebes.

Wie funktioniert das?

Strahl und Dosis

Der Beschleuniger liefert einen schmalen, nur wenige Millimeter breiten Strahl von Protonen bzw. Kohlenstoffionen. Da der Strahl in Luft oder gar in festen Körpern gebremst und auch verbreitert würde, wird er bis in den Patientenraum hinein in einem Vakuumrohr geführt. Erst ab ca. 1,5m vor dem Patienten sind die Ionen in Luft und auch in fünf verschiedenen Messkammern, die prüfen, ob der Strahl den Vorgaben entspricht. Dann trifft er auf den Patienten.

Auch im Patienten wird der Strahl gebremst und verlieren dabei Energie. Wenn Strahlung im Körper Energie verliert, spricht man von Dosis. Die bei MIT verwendete Strahlung aus Protonen und Ionen hat dabei eine sehr nützliche Eigenschaft: Solange die Ionen schnell sind, verlieren sie wenig Energie; werden sie langsamer steigt der Verlust stark an. Die meiste Dosis fällt also kurz vor dem Stoppen an. Man spricht dabei vom Bragg-Peak, der auch rechts im Logo der MIT als rote Linie dargestellt ist: Wenn der Strahl von Links kommt und in den Körper eindringt, fällt erst wenig, dann immer mehr bis zu einem Spitzenwert und dann nur noch minimale Dosis an. Vergrößert man die Anfangsenergie der Strahlung dauert der Bremsprozess entsprechend länger und die Dosisspitze liegt tiefer im Körper. Man kann also mit der Anfangsenergie einstellen, in welcher Tiefe die meiste Dosis anfällt.

Rasterscanning

Ionen sind geladene Teilchen und können durch Magnete abgelenkt werden. Nach demselben Prinzip arbeiten Röhrenfernseher. Durch geeignete Magnete (Scanner-Magnete) kann man den Strahl nach oben/unten und rechts/links ablenken. So kann man mit dem schmalen Strahl auch große Flächen überstreichen. Verändert man dann noch die Energie, kann man in einem Körper den Bereich mit der größten Dosis an jeden beliebigen Punkt lenken.

Fährt man viele Punkte derselben Energie nacheinander an spricht man von Scanning. Bei MIT wird Rasterscanning eingesetzt. Dabei sind die Punkte gitterförmig angeordnet, wobei der Abstand benachbarter Punkte viel kleiner ist als die Breite des Strahls. Man kann so das ganze Volumen gleichmäßig abdecken. Zudem wird bei Rasterscanning sehr schnell von einem Punkt zum nächsten gewechselt, deswegen ist es nur in wenigen Fällen nötig, den Strahl während des Wechsels auszuschalten. Das Rasterscan-Verfahren wurde unter der Leitung von Prof. Dr. Thomas Haberer, wissenschaftlich-technischer Direktor des MIT, beim GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung (GSI), Darmstadt, entwickelt.

 

Wie wird daraus eine Therapie?

Wirkung von Strahlung

Die Wirkung der Dosis im Körper hängt dabei sehr davon ab, welche Strahlung man benutzt. Während Sonnenstrahlung hauptsächlich wärmt, zerstört so genannte ionisierende Strahlung wie die verwendete Partikelstrahlung die Zellen. Das macht man sich in der Strahlentherapie zunutze, da man so von außen die kranken Zellen eines Tumors zerstören kann. Da auch gesunde Zellen geschädigt werden können, versucht man die Bestrahlung auf die kranken Bereiche zu beschränken und gesunde Bereiche soweit wie möglich unbehelligt zu lassen. Ganz kann das nicht gelingen, da die Ionen ja immer auch Energie auf dem Weg in den Tumor verlieren.

Planung

Für die Bestrahlung des Tumors geben Ärzte vor, wie viel Dosis wo im Tumor anfallen soll und wie viel Dosis in gesundem Gewebe maximal vertretbar ist. In der Planung muss diese Vorgabe dann umgesetzt werden. Dazu wird der Körper auf Basis eines dreidimensionalen Bilddatensatzes aus dem Computertomographen rechnerisch in viele kleine Würfel zerlegt, die kleiner sind als die Strahlbreite. Jeder dieser Würfel ist ein mögliches Ziel eines einzelnen schmalen Strahls. In der Software der Planung wird eine Kombination der vielen möglichen Strahlen gefunden die am Besten zur Vorgabe der Ärzte passt. Dabei muss auch berücksichtigt werden, dass ein einzelner Strahl Dosis in viele der kleinen Würfeln bringt. Bevor der Plan fertiggestellt wird, prüft ein Arzt, ob die Vorgaben korrekt umgesetzt wurden.

Das Ergebnis ist eine Liste von Punkten, die bestrahlt werden sollen. Für jeden Punkt wird angegeben, wie viele Ionen auf diesen Punkt gestrahlt werden sollen. Typisch ist, dass jeder Punkt eine andere Anzahl Ionen bekommt, deswegen spricht man von intensitätsmoduliertem Scanning.

Bestrahlung

Bei der eigentlichen Bestrahlung arbeitet die Technik diese Liste ab: Energie für Energie werden die einzelnen Punkte angesteuert. Für jede Energiestufe gibt es mehrere Punkte zu bestrahlen oft sogar über 1000. Hierzu müssen die Scannermagnete sehr schnell und präzise eingestellt werden. Jeder Punkt wird solange bestrahlt, bis die geplante Anzahl Ionen dorthin gelangt ist. Typischerweise geschieht das in einer hundertstel Sekunde.

Für die Bestrahlung stehen Strahlen in über 250 Energiestufen zur Verfügung. Damit kann die Dosisspitze zwischen 20mm und 300mm tief im Körper liegen. Für die Breite der Strahlen stehen 4 Stufen von 4 bis 10mm zur Verfügung. Zusätzlich gibt es 10 Einstellungen für die Strahlintensität. Grob gerechnet müssen also pro Ionensorte und Raum 10000 Einstellungskombinationen erstellt und gepflegt werden.

Online Therapiekontrolle

Zusätzlich kommt bei diesem Bestrahlungsverfahren die Online-Therapie-Kontrolle zum Einsatz. Sie gewährleistet die weltweit größte Sicherheit bei einer Strahlentherapie.

Mit der Online-Therapie-Kontrolle ist es möglich, die Lage, Form und Intensität des Ionenstrahls bis zu 100.000 Mal pro Sekunde zu überprüfen. Fünf hochauflösende Teilchendetektoren befinden sich direkt hinter dem Austrittsfenster des Therapiestrahls aus dem Vakuumsystem der Strahlführung unmittelbar vor dem Patienten. Sie erfassen mit 20 cm mal 20 cm das gesamte Bestrahlungsfeld, analysieren den Therapiestrahl und vergleichen ihn mit den Vorgaben der Bestrahlungsplanung. Bei einer Abweichung stoppt die Bestrahlung innerhalb von einer halben Millisekunde – das ist 1.000 Mal schneller als ein Mensch im Reflex reagiert. Dieses Verfahren gewährleistet die bestmögliche Sicherheit bei einer Strahlentherapie mit Ionen.