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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
www.destatis.de
• Vergleich Einwohnerzahl von Deutschland: 81 729 000 (April 2011)
www.wikipedia.de
Institut für Strahlenphysik • www.hzdr.de/FWK • Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft
Fine Fiedler • [email protected]
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)
Elektronen
Umlenkmagnet
Beschleunigungsrohr
Streufolie
Elektronen
Elektronenquelle
Blenden
Die Wechselwirkungen von Elektronen mit Materie
1. Stoßbremsung
2. Strahlungsbremsung
(Ek. >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)
Elektronen
Umlenkmagnet
Beschleunigungsrohr
Streufolie
Elektronen
Elektronenquelle
Blenden
Elektronen
Radiator
Photonen
Die Wechselwirkung von Photonen mit Materie
1. Photoeffekt
Photonen: Quanten von Röntgenund Gammastrahlung
-
2. Comptoneffekt
3. Paarbildung
-
-
-
Die Wechselwirkung von Photonen mit Materie
1. Photoeffekt
Photonen: Quanten von Röntgenund Gammastrahlung
-
2. Comptoneffekt
3. Paarbildung
-
-
-
Konventionelle Strahlentherapie mit Photonen und Elektronen
Photonenbestrahlung, 9 Felder
„Konventionelle“ Strahlung
0
20
40
60
80
100 % Dmax
Mit frdl. Erlaubnis durch O. Jäkel, Heidelberg
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 · 107 m
-
:
+
:
=
d = 1.7 · 10-15 m
d = 1.1 · 10-10 m
d = 1.3 · 10-3 m
d = 1.3 mm
d = 86 m
+
-
+
+
m = 1. 7 · 10−27 kg
:
=
m = 0. 1 kg
:
m = 6.0 · 1024 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
-
Schwere geladene Teilchen:
Protonen, Heliumkerne (αTeilchen),
Leichte Ionen (z.B. 12C),
Schwere Ionen (z.B. 208Pb)
2. Nukleare Bremsung
3. Kernreaktion
Wechselwirkung schwerer geladener Teilchen mit Materie
Radon 222
Bragg Peak
Sir William Henry Bragg
(1862 - 1942)
Quelle: http://de.wikipedia.org
Geschwindigkeit nimmt ab
Energie nimmt ab
Deponierte Energie pro Weg steigt
Tiefendosisprofil für Ionen
Tiefendosisprofil für Ionen und Photonen
Tiefendosisprofil für Ionen und Schädigung des Gewebes
• 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
Quelle: Uni Innsbruck,Paul Scheier
Relative Dosis
Tiefendosisprofil für Ionen – Bestrahlung ausgedehnter Volumina
Eindringtiefe / cm
Überlagerung mehrerer Bragg-Peaks verschiedener Energie
→ homogene Dosisverteilung im Zielgebiet
Strahlentherapie mit Kohlenstoffionen
12C-Ionenbestrahlung,
Protonen
und Teilchen
Ionen
Schwere
geladene
(1H ... 12C ... 20Ne)
2 Felder
Relative effektive Dosis %
100
Tiefe
in Wasser
Wasser/ /cm
cm
Tiefe in
0
20
40
60
80
100 % Dmax
Mit frdl. Erlaubnis durch O. Jäkel, Heidelberg
Ionen vs. Photonen in der Krebstherapie
Konventioneller Bestrahlungs- Kohlenstoff-Bestrahlungsplan (Photonen) mit vier Feldern plan, zwei Felder
Mit freundlicher Erlaubnis durch O. Jäkel, DKFZ
und M. Scholz, G. Taucher-Scholz, GSI Darmstadt
Ionen in der Krebstherapie
Konventionelle Bestrahlung
- Elektronen, Photonen
→ umgebendes gesundes Gewebe ungenügend
vor Strahlenschäden geschützt
Ionen:
→ 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
– Schwerionentherapie
in
Deutschland
Präzisions-Radiotherapie
mit Ionenstrahlen
@ GSI
Strahlentherapie
- Ziele
Schwerionen
Synchrotron
Ionenquelle
Linearbeschleuniger
Ablenkmagnet
GSI-Beschleunigerkomplex:
1H
... 238U, v ≈ 0.95 c
1997 - 2008:
• Behandlung von mehr als 440
Patienten mit 12C-Strahlen
• Behandlungen 3 mal 4 Wochen
im Jahr
Das GSI Pilotprojekt
– Schwerionentherapie
in Deutschland@ GSI
Präzisions-Radiotherapie
mit Ionenstrahlen
Bestrahlungsplatz
Kontroll- und Steuerkonsole
Dipolmagnete
Rasterscanner
Tumor
Ionenstrahl
Dipolmagnete
Rasterscanner
Tumor
Ionenstrahl
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
Photonen
Ionen
Eindringtiefe / cm
Photonen
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
Geplante Dosis
Überdosis im gesunden
Gewebe
Ionen
Fehlende
Dosis im
Tumor
Eindringtiefe / cm
Tumorgewebe
Eindringtiefe / cm
Normalgewebe
Luftgefüllte Kavität
In-beam PET - Physikalisches Prinzip
Vor der Kollision
Projektil
12
Nach der Kollision
C
11
16
Atomkern
15
O
O
C
Projektilfragment
Neutronen
Targetfragment
des Gewebes
β+-Zerfall:
11C
11B
+ e+ + νe
15O
15N
γ1
+ e+ + νe
Positronenannihilation:
e+ + e-
γ1 + γ2
γ2
E(γ1) = E(γ2) = 511 keV
<) (γ1,γ2) = 180°
In-beam PET @ GSI - Aufbau
Therapieplatz an der GSI
BGO-Block:
8 × 8 Kristalle; 2 × 2 PMT
In-beam PET @ GSI
– Klinischer
In-beam
PET –Ablauf
Klinische Implementierung
Simulation
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
Tomographische
Rekonstruktion
γ - Strahlung
täglich
Messung
• Listmode-Daten
• Schwächungskorrektur
• Tomographische Rekonstruktion
• Streukorrektur
• PET/CT-Fusion
In-beam PET @ GSI - Ergebnisse
In-beam PET – Ergebnisse
β+-Aktivität Messung
β+-Aktivität Vorhersage
Reduzierte Reichweite
Füllung von Kavitäten
3 Tage später, nach Verordnung
von Medikamenten
In-beam PET @ GSI - Ende
Mit freundlicher Genehmigung von Gerhard Kraft
Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum HIT
Heidelberger
Ionenstrahl-Therapiezentrum (HIT)
Nov. 2009
20 m
Mit frdl. Erlaubnis durch T. Haberer, Heidelberg
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/
- Gelegen auf dem UKD Campus
- Integriert in die Klinik für Radiologie
- Platz für zusätzliche Bestrahlungsräume
Schubertstr.
• Integration in die Klinik und Poliklinik für Strahlentherapie und Radioonkologie
Händelallee
• Errichtung eines Forschungsgebäudes mit Protonen-Bestrahlungsanlage auf dem
Campus des Universitätsklinikums Carl Gustav Carus in Dresden,
Baubeginn Mai 2011, Betriebsbeginn: 2014
• Isochronzyklotron
• Normalleitender Magnet
•d=6m
• 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 Patiententisch
Foto: Mit freundl. Erlaubnis durch IBA
Konventioneller
Protonenstrahl:
• Horizontalstrahl
• d < 10 mm (FWHM)
• E = (70 – 230) MeV
• I = (0.1 – 10) nA
Laser beschleunigter
Protonenstrahl:
• Horizontalstrahl
?
2011
11
Zusammenfassung
Strahlentherapie - Ziele
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
Medizinische Strahlenphysik @ Oncoray
Strahlungsphysik @ Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

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