Material zum Vortrag (14,9 MB pdf-Datei)
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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 Institut für Strahlenphysik • www.hzdr.de/FWK • Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Fine Fiedler • [email protected] 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 Institut für Strahlenphysik • www.hzdr.de/FWK • Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Fine Fiedler • [email protected] Konventionelle Strahlentherapie mit Elektronen Elektronen-Linearbeschleuniger: Photonen und Elektronen (ca. 400 Geräte in Deutschland) Elektronen Umlenkmagnet Beschleunigungsrohr Streufolie Elektronen Elektronenquelle Blenden Institut für Strahlenphysik • www.hzdr.de/FWK • Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Fine Fiedler • [email protected] Die Wechselwirkungen von Elektronen mit Materie 1. Stoßbremsung 2. Strahlungsbremsung (Ek. >10 MeV) Institut für Strahlenphysik • www.hzdr.de/FWK • Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Fine Fiedler • [email protected] Erzeugung biologischer Effekte Quelle: www.scienceticker.info Quelle: Uni Innsbruck,Paul Scheier Institut für Strahlenphysik • www.hzdr.de/FWK • Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Fine Fiedler • [email protected] Der Dosisbegriff Dosis: Energie pro Masse D=E/m 1 Gy = 1 J / 1 kg Strahlentherapie: 60 Gy Gesamtdosis 0.014 K Institut für Strahlenphysik • www.hzdr.de/FWK • Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Fine Fiedler • [email protected] Gammas im elektromagnetischen Spektrum Institut für Strahlenphysik • www.hzdr.de/FWK • Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Fine Fiedler • [email protected] Konventionelle Strahlentherapie mit Photonen Elektronen-Linearbeschleuniger: Photonen und Elektronen (ca. 400 Geräte in Deutschland) Elektronen Umlenkmagnet Beschleunigungsrohr Streufolie Elektronen Elektronenquelle Blenden Elektronen Radiator Photonen Institut für Strahlenphysik • www.hzdr.de/FWK • Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Fine Fiedler • [email protected] Die Wechselwirkung von Photonen mit Materie 1. Photoeffekt Photonen: Quanten von Röntgenund Gammastrahlung - 2. Comptoneffekt 3. Paarbildung - - - Institut für Strahlenphysik • www.hzdr.de/FWK • Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Fine Fiedler • [email protected] Die Wechselwirkung von Photonen mit Materie 1. Photoeffekt Photonen: Quanten von Röntgenund Gammastrahlung - 2. Comptoneffekt 3. Paarbildung - - - Institut für Strahlenphysik • www.hzdr.de/FWK • Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Fine Fiedler • [email protected] 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 Institut für Strahlenphysik • www.hzdr.de/FWK • Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Fine Fiedler • [email protected] Ionen? Institut für Strahlenphysik • www.hzdr.de/FWK • Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Fine Fiedler • [email protected] 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 Institut für Strahlenphysik • www.hzdr.de/FWK • Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Fine Fiedler • [email protected] Wasserstoff, Protonen, Ionen … - : + : = 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 Institut für Strahlenphysik • www.hzdr.de/FWK • Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Fine Fiedler • [email protected] Ionen in der Krebstherapie Das leichteste Atom: Wasserstoff 1 Proton, 1 Elektron + Institut für Strahlenphysik • www.hzdr.de/FWK • Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Fine Fiedler • [email protected] Wasserstoff, Protonen, Ionen … Das leichteste Atom: Wasserstoff 1 Proton, 1 Elektron Für die Strahlentherapie: auch Kohlenstoffionen: 6 Protonen, 6 Neutronen + + + + + + + Institut für Strahlenphysik • www.hzdr.de/FWK • Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Fine Fiedler • [email protected] 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 Institut für Strahlenphysik • www.hzdr.de/FWK • Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Fine Fiedler • [email protected] 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 Institut für Strahlenphysik • www.hzdr.de/FWK • Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Fine Fiedler • [email protected] Tiefendosisprofil für Ionen Institut für Strahlenphysik • www.hzdr.de/FWK • Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Fine Fiedler • [email protected] Tiefendosisprofil für Ionen Institut für Strahlenphysik • www.hzdr.de/FWK • Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Fine Fiedler • [email protected] Tiefendosisprofil für Ionen Institut für Strahlenphysik • www.hzdr.de/FWK • Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Fine Fiedler • [email protected] Tiefendosisprofil für Ionen und Photonen Institut für Strahlenphysik • www.hzdr.de/FWK • Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Fine Fiedler • [email protected] 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 Institut für Strahlenphysik • www.hzdr.de/FWK • Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Fine Fiedler • [email protected] Relative Dosis Tiefendosisprofil für Ionen – Bestrahlung ausgedehnter Volumina Eindringtiefe / cm Überlagerung mehrerer Bragg-Peaks verschiedener Energie → homogene Dosisverteilung im Zielgebiet Institut für Strahlenphysik • www.hzdr.de/FWK • Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Fine Fiedler • [email protected] 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 Institut für Strahlenphysik • www.hzdr.de/FWK • Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Fine Fiedler • [email protected] 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 Institut für Strahlenphysik • www.hzdr.de/FWK • Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Fine Fiedler • [email protected] 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 Institut für Strahlenphysik • www.hzdr.de/FWK • Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Fine Fiedler • [email protected] 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 Institut für Strahlenphysik • www.hzdr.de/FWK • Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Fine Fiedler • [email protected] Das GSI Pilotprojekt – Schwerionentherapie in Deutschland GSI – Gesellschaft für Schwerionenforschung, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung Institut für Strahlenphysik • www.hzdr.de/FWK • Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Fine Fiedler • [email protected] 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 Institut für Strahlenphysik • www.hzdr.de/FWK • Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Fine Fiedler • [email protected] Das GSI Pilotprojekt – Schwerionentherapie in Deutschland@ GSI Präzisions-Radiotherapie mit Ionenstrahlen Bestrahlungsplatz Kontroll- und Steuerkonsole Institut für Strahlenphysik • www.hzdr.de/FWK • Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Fine Fiedler • [email protected] Das GSI Pilotprojekt – Schwerionentherapie in Deutschland Dipolmagnete Rasterscanner Tumor Ionenstrahl Das GSI Pilotprojekt – Schwerionentherapie in Deutschland Dipolmagnete Rasterscanner Tumor Ionenstrahl Das GSI Pilotprojekt – Schwerionentherapie in Deutschland Darstellung der Schnittebenen eines an der GSI behandelten Tumors Quelle: www.gsi.de/documents/ DOC-2005-Oct-55-1.pdf Institut für Strahlenphysik • www.hzdr.de/FWK • Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Fine Fiedler • [email protected] 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 Institut für Strahlenphysik • www.hzdr.de/FWK • Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Fine Fiedler • [email protected] Institut für Strahlenphysik • www.hzdr.de/FWK • Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Fine Fiedler • [email protected] 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° Institut für Strahlenphysik • www.hzdr.de/FWK • Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Fine Fiedler • [email protected] 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 Institut für Strahlenphysik • www.hzdr.de/FWK • Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Fine Fiedler • [email protected] 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 Institut für Strahlenphysik • www.hzdr.de/FWK • Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Fine Fiedler • [email protected] Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum HIT Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum (HIT) Nov. 2009 20 m Mit frdl. Erlaubnis durch T. Haberer, Heidelberg Institut für Strahlenphysik • www.hzdr.de/FWK • Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Fine Fiedler • [email protected] 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 Institut für Strahlenphysik • www.hzdr.de/FWK • Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Fine Fiedler • [email protected] 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 Institut für Strahlenphysik • www.hzdr.de/FWK • Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Fine Fiedler • [email protected] http://maps.google.de/ Institut für Strahlenphysik • www.hzdr.de/FWK • Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Fine Fiedler • [email protected] Protonentherapie in Dresden - 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 Institut für Strahlenphysik • www.hzdr.de/FWK • Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Fine Fiedler • [email protected] Protonentherapie in Dresden • Isochronzyklotron • Normalleitender Magnet •d=6m • E = 230 MeV • I = 300 nA Foto: Mit freundl. Erlaubnis durch IBA Institut für Strahlenphysik • www.hzdr.de/FWK • Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Fine Fiedler • [email protected] Protonentherapie in Dresden Therapiebunker (Kapazität ~ 500 Pat. p.a.) 1. Isocentrische Gantry mit universeller Nozzle: - Einfachstreuung - Doppelstreuung - Strahlscanning 2. Robotischer Patiententisch Foto: Mit freundl. Erlaubnis durch IBA Institut für Strahlenphysik • www.hzdr.de/FWK • Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Fine Fiedler • [email protected] Protonentherapie in Dresden Konventioneller Protonenstrahl: • Horizontalstrahl • d < 10 mm (FWHM) • E = (70 – 230) MeV • I = (0.1 – 10) nA Institut für Strahlenphysik • www.hzdr.de/FWK • Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Fine Fiedler • [email protected] Protonentherapie in Dresden Laser beschleunigter Protonenstrahl: • Horizontalstrahl ? Institut für Strahlenphysik • www.hzdr.de/FWK • Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Fine Fiedler • [email protected] Protonentherapie in Dresden 2011 11 Institut für Strahlenphysik • www.hzdr.de/FWK • Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Fine Fiedler • [email protected] Zusammenfassung Institut für Strahlenphysik • www.hzdr.de/FWK • Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Fine Fiedler • [email protected] Strahlentherapie - Ziele Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Medizinische Strahlenphysik @ Oncoray Strahlungsphysik @ Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf Institut für Strahlenphysik • www.hzdr.de/FWK • Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Fine Fiedler • [email protected]