Material zum Vortrag (14,9 MB pdf-Datei - Physik am Samstag

Erfolgreich gegen Krebs – 

Präzisionsbestrahlungen mit Ionen 

Fine Fiedler 

19. November 2011 

Strahlenphysik 

Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf 

Text optional: Institutsname � Prof. Dr. Hans Mustermann � www.fzd.de � Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft

Krebserkrankungen in Deutschland 

• Krebs bezeichnet eine Reihe verschiedener Erkrankungen, einhergehend mit 

vermehrten, oftmals unkontrollierten Gewebewachstum 

• Krebsneuerkrankungen 2010: ~450 000 

• Zweithäufigste Todesursache 2010 waren Krebsleiden 

• Rund ein Viertel aller Verstorbenen (218 889 Menschen) erlag im Jahr 2010 einem 

Krebsleiden, darunter 118 202 Männer und 100 687 Frauen 

• Vergleich Einwohnerzahl von Deutschland: 81 729 000 (April 2011) 

Fine Fiedler • f.fiedler@hzdr.de 

www.destatis.de 

www.wikipedia.de 

Institut für Strahlenphysik • www.hzdr.de/FWK • Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft

Therapien für Krebserkrankungen 

Operation: Entfernung des Tumors und des umliegenden Gewebes 

Chemotherapie: Eingreifen in den Stoffwechsel von Zellen ein und verhinderte Zellteilung 

Strahlentherapie: Behinderung des Tumorwachstums durch die radioaktive Strahlung 



Inhalt 


In-beam PET bei der Tumortherapie mit Ionen 

• Konventionelle Strahlentherapie 

• Physikalische und biologische Eigenschaften von Ionen 

• Pilot-Therapieanlage an der GSI in Darmstadt 

• Therapieanlagen in Deutschland 


Konventionelle Strahlentherapie mit Elektronen 

Elektronen-Linearbeschleuniger: 

Photonen und Elektronen 

(ca. 400 Geräte in Deutschland) 

Elektronenquelle 


Beschleunigungsrohr 

Blenden 

Umlenkmagnet 

Elektronen 

Streufolie 

Elektronen 


Die Wechselwirkungen von Elektronen mit Materie 


1. Stoßbremsung 

2. Strahlungsbremsung 

(E k. >10 MeV) 


Erzeugung biologischer Effekte 


Quelle: www.scienceticker.info 

Quelle: Uni Innsbruck,Paul Scheier 


Der Dosisbegriff 

Dosis: Energie pro Masse 

D = E / m 

1 Gy = 1 J / 1 kg 

Strahlentherapie: 60 Gy Gesamtdosis 


0.014 K 


Gammas im elektromagnetischen Spektrum 



Konventionelle Strahlentherapie mit Photonen 

Elektronen-Linearbeschleuniger: 

Photonen und Elektronen 

(ca. 400 Geräte in Deutschland) 

Elektronenquelle 


Beschleunigungsrohr 

Blenden 

Umlenkmagnet 

Elektronen 

Streufolie 

Elektronen 

Elektronen 

Radiator 

Photonen 


Die Wechselwirkung von Photonen mit Materie 

1. Photoeffekt 

2. Comptoneffekt 


- 

- 

Photonen: Quanten von Röntgenund 

Gammastrahlung 

3. Paarbildung 

Institut für Strahlenphysik • www.hzdr.de/FWK • Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft 

- 

-

Die Wechselwirkung von Photonen mit Materie 

1. Photoeffekt 

2. Comptoneffekt 


- 

- 

Photonen: Quanten von Röntgenund 

Gammastrahlung 

3. Paarbildung 

Institut für Strahlenphysik • www.hzdr.de/FWK • Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft 

- 

-

Konventionelle Strahlentherapie mit Photonen und Elektronen 


„Konventionelle“ Strahlung 

Photonenbestrahlung, 9 Felder 

0 20 40 60 80 100 

Mit frdl. Erlaubnis durch O. Jäkel, Heidelberg 

% D max 



Ionen? 


Wasserstoff, Protonen, Ionen … 

+ 

d = 1.06 · 10 -10 m 


- 

: = : 

d = 0.13 m 

d = 13 cm 

d = 0.01 m 

d = 1 cm 

d = 1.27 · 10 7 m 



+ 

d = 1.1 · 10 -10 m 

+ 


- 

- 

+ 

m = 1. 7 · 10 −27 kg 

: = : 

d = 1.7 · 10 -15 m 

+ 

: = : 

m = 0. 1 kg 

d = 86 m d = 1.3 · 10 -3 m 

d = 1.3 mm 

m = 6.0 · 10 24 kg 


Ionen in der Krebstherapie 

+ 


- 

Das leichteste Atom: Wasserstoff 

1 Proton, 1 Elektron 



Das leichteste Atom: Wasserstoff 

1 Proton, 1 Elektron 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 

+ 


Für die Strahlentherapie: auch Kohlenstoffionen: 

6 Protonen, 6 Neutronen 


Wechselwirkung schwerer geladener Teilchen mit Materie 

1. Elektronische Bremsung 

2. Nukleare Bremsung 


- 

Schwere geladene Teilchen: 

Protonen, Heliumkerne (α- 

Teilchen), 

Leichte Ionen (z.B. 12 C), 

Schwere Ionen (z.B. 208 Pb) 

3. Kernreaktion 


Wechselwirkung schwerer geladener Teilchen mit Materie 


Radon 222 

Geschwindigkeit nimmt ab 

Energie nimmt ab 

Bragg Peak 

Deponierte Energie pro Weg steigt 

Sir William Henry Bragg 

(1862 - 1942) 

Quelle: http://de.wikipedia.org 


Tiefendosisprofil für Ionen 









Tiefendosisprofil für Ionen und Photonen 



Tiefendosisprofil für Ionen und Schädigung des Gewebes 

Quelle: Uni Innsbruck,Paul Scheier 


• Vor dem Bragg-Peak: niedriger LET 

- geringe Ionisationsdichte 

- hohe Überlebensrate der Zellen 

- niedrige RBW 

• Bereich des Bragg-Peak: hoher LET 

- hohe Ionisationsdichte 

- Zellüberlebensrate sinkt 

- hohe RBW 


Tiefendosisprofil für Ionen – Bestrahlung ausgedehnter Volumina 


Relative Dosis 

Eindringtiefe / cm 

Überlagerung mehrerer Bragg-Peaks verschiedener Energie 

→ homogene Dosisverteilung im Zielgebiet 


Relative effektive Dosis % 

Strahlentherapie mit Kohlenstoffionen 

100 

Schwere geladene Teilchen 

( 1H ... 12C ... 20 Schwere geladene Teilchen 

( Ne) 

1H ... 12C ... 20Ne) Fine Fiedler • f.fiedler@hzdr.de 

Protonen und Ionen 

Tiefe Tiefe in in Wasser Wasser / / cm 

cm 

12 C-Ionenbestrahlung, 2 Felder 

0 20 40 60 80 100 % D max 

Mit frdl. Erlaubnis durch O. Jäkel, Heidelberg 


Ionen vs. Photonen in der Krebstherapie 

Konventioneller BestrahlungsKohlenstoff-Bestrahlungsplan (Photonen) mit vier Feldern plan, zwei Felder 


Mit freundlicher Erlaubnis durch O. Jäkel, DKFZ 

und M. Scholz, G. Taucher-Scholz, GSI Darmstadt 


Konventionelle Bestrahlung 


- Elektronen, Photonen 

→ umgebendes gesundes Gewebe ungenügend 

Ionen: 

Ionen in der Krebstherapie 

vor Strahlenschäden geschützt 

→ anderes physikalisches und biologisches 

Verhalten 

→ tumorkonforme Bestrahlung 

→ irreparable Schädigung des Tumors 

bei gleichzeitiger Schonung des 

umliegenden gesunden Gewebes 

Indikationen für eine Ionen-Therapie: 

- kompakte, tief liegende Tumoren 

- in der Nähe von Risikoorganen 

- Strahlen resistente Tumoren 


Ionen in der Krebstherapie - Geschichte 

+ 

Proton 


Teilchenbeschleuniger 

1946 schlug Robert Wilson den Einsatz von Protonen für die Strahlentherapie vor 

1954 erste Behandlungen in Berkeley, Kalifornien, USA 

1957 erste Behandlungen in Uppsala in Schweden 

1990 erste klinische Anlage in Loma Linda, Kalifornien, USA 

1994 Kohlenstofftherapie am HIMAC, Chiba, Japan 

1997 Kohlenstofftherapie am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt 

1998 Protonentherapie am Helmholtz-Zentrum Berlin 

2009 Klinische Anlage, Protonen und Kohlenstoff in Heidelberg 

2014 Protonentherapie in Dresden 


Das GSI Pilotprojekt – Schwerionentherapie in Deutschland 

GSI – Gesellschaft für Schwerionenforschung, 

GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung 



Das GSI Pilotprojekt Präzisions-Radiotherapie – Schwerionentherapie Strahlentherapie mit Ionenstrahlen in - Ziele Deutschland 

@ GSI 

GSI-Beschleunigerkomplex: 

1 H ... 238 U, v ≈ 0.95 c 

1997 - 2008: 

• Behandlung von mehr als 440 

Patienten mit 12 C-Strahlen 

• Behandlungen 3 mal 4 Wochen 

im Jahr 


Ionenquelle 

Linearbeschleuniger 

Schwerionen 

Synchrotron 

Ablenkmagnet 


Das GSI Pilotprojekt Präzisions-Radiotherapie – Schwerionentherapie mit Ionenstrahlen in Deutschland@ 

GSI 


Kontroll- und Steuerkonsole 

Bestrahlungsplatz 



Rasterscanner 

Ionenstrahl 

Dipolmagnete 

Tumor


Rasterscanner 

Ionenstrahl 

Dipolmagnete 

Tumor



Darstellung der 

Schnittebenen eines an der 

GSI behandelten Tumors 

Quelle: www.gsi.de/documents/ 

DOC-2005-Oct-55-1.pdf 


Motivation für eine in-vivo Dosimetrie 


Ionen sind Photonen in Bezug auf ihre 

physikalischen und biologischen 

Eigenschaften überlegen 

Aber: Dosisverteilungen für Ionen sind 

anfälliger für Fehler als Photonenpläne 

Daher: ein in-vivo Dosismonitoring ist 


erforderlich 

Tatsächliche Dosis 

Überdosis im gesunden 

Geplante Dosis 

Photonen Gewebe Ionen 

Fehlende 

Dosis im 

Tumor 


Photonen 

Ionen 


Tumorgewebe Normalgewebe Luftgefüllte Kavität 




In-beam PET - Physikalisches Prinzip 

Projektil 


Vor der Kollision Nach der Kollision 

Atomkern 

des Gewebes 

β + -Zerfall: 

11 C 

15 O 

12 C 

16 O 

11 B + e + + νe 

15 N + e + + νe 

Positronenannihilation: 

e + + e - γ 1 + γ 2 

E(γ 1) = E(γ 2) = 511 keV 

< (γ 1,γ 2) = 180° 

) 

15 O 

11 C 

Projektilfragment 

Neutronen 

Targetfragment 

γ 2 

γ 1 


In-beam PET @ GSI - Aufbau 

Therapieplatz an der GSI 

BGO-Block: 

8 × 8 Kristalle; 2 × 2 PMT

In-beam PET @ GSI In-beam – Klinischer PET – Ablauf 

Klinische Implementierung 

Erwartete Verteilung 

Monte Carlo Simulation: 

• Bremsung der Ionen im Gewebe 

• Kernreaktionen: Positronenemitter 

• β + -Zerfall 

• Bremsung der Positronen im Gewebe 

• Positronenannihilation 

• Ausbreitung der γ-Strahlung 

• Detektion der γ-Strahlung, Zeitstruktur 


Simulation 

Tomographische 

Rekonstruktion 

• Listmode-Daten 

• Schwächungskorrektur 

• Tomographische Rekonstruktion 

• Streukorrektur 

täglich 

• PET/CT-Fusion 

γ - Strahlung 

Messung 


In-beam PET @ GSI - Ergebnisse 

In-beam PET – Ergebnisse 

β + -Aktivität Vorhersage 

β + -Aktivität Messung 

Füllung von Kavitäten 

3 Tage später, nach Verordnung 

von Medikamenten 

Reduzierte Reichweite

In-beam PET @ GSI - Ende 


Mit freundlicher Genehmigung von Gerhard Kraft 


Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum HIT 


20 m 

Mit frdl. Erlaubnis durch T. Haberer, Heidelberg 

Heidelberger 

Ionenstrahl-Therapiezentrum (HIT) 

Nov. 2009 


Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum HIT 

• Eingebunden ins klinische und wissenschaftliche 

Umfeld in Heidelberg 

• Vergleich der Wirksamkeit für Kohlenstoff- und 

Protonenstrahlen 


600 Patienten in den ersten zwei 

Jahren 


Protonentherapie in Dresden 

OncoRay – Nationales Zentrum für Strahlenforschung in der Onkologie 

Einzigartige Protonentherapie-Einrichtung: Konventionelle Protonentherapie + Laser-basierter 

Protonenbeschleuniger 


W. Enghardt et al., SPIE, Prague, 2011 



http://maps.google.de/ 



• Errichtung eines Forschungsgebäudes mit Protonen-Bestrahlungsanlage auf dem 

Campus des Universitätsklinikums Carl Gustav Carus in Dresden, 

Baubeginn Mai 2011, Betriebsbeginn: 2014 

• Integration in die Klinik und Poliklinik für Strahlentherapie und Radioonkologie 

- Gelegen auf dem UKD Campus 

- Integriert in die Klinik für Radiologie 

- Platz für zusätzliche Bestrahlungsräume 


Schubertstr. 

Händelallee 



Foto: Mit freundl. Erlaubnis durch IBA 


• Isochronzyklotron 

• Normalleitender Magnet 

• d = 6 m 

• E = 230 MeV 

• I = 300 nA 



Foto: Mit freundl. Erlaubnis durch IBA 


Therapiebunker 

(Kapazität ~ 500 Pat. p.a.) 

1. Isocentrische Gantry 

mit universeller Nozzle: 

- Einfachstreuung 

- Doppelstreuung 

- Strahlscanning 

2. Robotischer Patienten- 

tisch 




Konventioneller 

Protonenstrahl: 

• Horizontalstrahl 

• d < 10 mm (FWHM) 

• E = (70 – 230) MeV 

• I = (0.1 – 10) nA 




Laser beschleunigter 

Protonenstrahl: 

• Horizontalstrahl 

? 




2011 

11 


Zusammenfassung 



Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 


Strahlentherapie - Ziele 

Medizinische Strahlenphysik @ Oncoray 

Strahlungsphysik @ Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

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