Inhalt der Vorlesung (Teil 1) Grundlagen der therapeutischen Anwendung ionisierender Strahlung. Inhalt der Vorlesung (Teil 1)

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1 Grundlagen der therapeutischen Anwendung ionisierender Strahlung (Teil 1: Bestrahlungsgeräte) Jürgen Salk Universitätsklinikum Ulm Klinik für Strahlentherapie Ziel der Strahlentherapie Dosisbegriffe und Einheiten Strahlenarten Röntgenröhren Ziel der Strahlentherapie Dosisbegriffe und Einheiten Strahlenarten Röntgenröhren Ziel der Strahlentherapie Vernichtung der Tumorzellen TCP (Tumor Control Probability) Schonung von gesundem Gewebe NTCP (Normal Tissue Complication Probability) TCP und NTCP TCP und NTCP Therapeutisches Fenster Wirkung in % TCP NTCP Wirkung in % TCP NTCP Dosis in Gray Nach Holthusen (1936) Dosis in Gray Nach Holthusen (1936)

2 TCP, NTCP und Heilung TCP, NTCP und Heilung Wirkung in % TCP NTCP Heilung TCP x (1-NTCP) Wirkung in % TCP NTCP Heilung Optimale Dosis TCP x (1-NTCP) Dosis in Gray Nach Holthusen (1936) Dosis in Gray Nach Holthusen (1936) TCP, NTCP und Heilung Ziel der Strahlentherapie Wirkung in % TCP NTCP Heilung Reduktion um 5 Gy Möglichst breites Therapeutisches Fenster Kombination mit Chemotherapie (Radioprotektoren bzw. Radiosensitizer) Fraktionierungsschemata (z.b. Hyperfraktionierung) präzise Lokalisation Strahlenart } Bestrahlungsplanung Bestrahlungstechnik Dosis in Gray Nach Holthusen (1936) Applikation der Optimalen Dosis Klinische Studien Klinische Dosimetrie Dosisbegriffe und Einheiten Strahlenarten Röntgenröhren Strahlenquelle Dosisbegriffe und Einheiten Eintretende Strahlungsenergie Körper absorbiert Strahlenenergie (vollständig oder teilweise) Erwärmung Energiedosis D: Absorbierte Energie dividiert durch die Masse des bestrahlten Volumens E abs D = m Austretende Strahlungsenergie

3 Dosisbegriffe und Einheiten Energiedosis D: Absorbierte Energie dividiert durch die Masse des bestrahlten Volumens E abs D = Einheit der Energiedosis: 1 Gray = 1Gy J 1 Gray = 1 = kg 0, Definition einer Kalorie: Eine Kalorie ist die Energiemenge, die man benötigt, um 1 g Wasser von 14,5 C auf 15,5 C bei Normaldruck (1013 hpa) zu erwärmen m kcal kg Dosisbegriffe und Einheiten J 1 Gray = 1 = kg 0, kcal kg Definition einer Kalorie: Eine Kalorie ist die Energiemenge, die man benötigt, um 1 g Wasser von 14,5 C auf 15,5 C bei Normaldruck (1013 hpa) zu erwärmen Strahlungsdosis von 1 Gy bewirkt eine Temperaturhöhung im Gewebe von 0, C. Ganzkörperdosis von 4 Gy entspricht LD 50 für den Menschen. Dosiswirkung beruht nicht auf thermischen Effekten der Strahlung! Worauf beruht die Wirkung der ionisierenden Strahlung? Tumorwachstum durch Zellteilung Strahlung ionisiert Atome in den Zellen Schädigung der Erbsubstanz im Zellkern (DNA) Zelle verliert Teilungsfähigkeit Zelltod Strahlenarten Röntgenröhren Strahlenarten Hochenergetische elektromagnetische Strahlung (Photonen) künstlich erzeugt durch Maschinen (Röntgen- od. Bremsstrahlung) Strahlenarten: Photonen Das Exponentielle Schwächungsgesetz Alles-oder-Nichts -Wechselwirkungen (in erster Näherung) Zerfall radioaktiver Nuklide (γ-strahlung) Geladene Teilchen (Korpuskularstrahlung) Beschleunigung in elektromagnetischen Feldern (z.b. Elektronen, Protonen, schwere Ionen) Zerfall radioaktiver Nuklide (z.b. β-strahlung, α-strahlung) di = µ I dx I µ x ( x ) = I 0 e

4 Strahlenarten: Photonen Das Abstandsquadratgesetz (für punktförmige Strahlenquellen) 1.2 Strahlenarten: Photonen Intensität SSD = 100 cm Mit Abstandsquadratgesetz Nur exponentielles Schwächungsgesetz I I ( r = r1 ) ( r = r ) 2 = r r SSD = 10 cm Tiefe [cm] Strahlenarten: Elektronen Viele kleine Wechselwirkungen Strahlenarten: Elektronen Viele kleine Wechselwirkungen Mittlere Reichweite R Praktische Reichweite R p Maximale Reichweite R max Endliche Reichweite Strahlenarten Röntgenröhren Afterloading Seedimplantation Röntgenröhre (Schema)

5 Entstehung von Röntgenstrahlung Schema einer Weichstrahlröhre Bremsstrahlung Charakteristische Strahlung Kontinuierliches Spektrum Linienspektrum Röhrenspannung: kv Grenzenergie: kev 1 ev = 1 V C = J RT 100 (Fa. Philips) RT 100 (Fa. Philips) Tiefendosis-Verlauf Oberflächentherapie kv Tiefendosis-Verlauf Halbtiefentherapie und 150 kv Tiefentherapie (Orthovolttherapie) bis ca. 300 kv Tiefentherapie Telegammageräte bzw. Linearbeschleuniger

6 Strahlenarten Röntgenröhren Linerarbeschleuniger Erzeugung im Kernreaktor: 59 Co + n Co + γ Radioaktiver Zerfall: Co Ni * + β Ni * Ni + γ 1 + γ 2 Halbwertszeit: 5,272 Jahre Die Telekobaltanlage Die Telekobaltanlage Die Telekobaltanlage Strahlerkopf (Schema) Gammatron 3 (Fa. Siemens) Gammatron S (Fa. Siemens) Zylinderförmige Quelle ( 1-2 cm ) Die Telekobaltanlage Vergleich des Tiefendosisverlaufes: Konventionelle Röntgen-Strahlung und Co γ-strahlung Eindringvermögen Aufbaueffekt (0.5 cm) Strahlenarten Röntgenröhren

7 Beschleunigung eines Elektrons in elektrischem Feld E = q U = e U E = q U = e U E = q U = e U E = 2 q U = 2 e U E = 2 q U = 2 e U

8 E = 2 q U = 2 e U E = 3 q U = 3 e U Elektromagnetische Welle (Mikrowelle): ca MHz Photonenstrahlung Prozentuale Tiefendosis Strahlstrom von 100 ma Elektronen pro Sek.

9 Photonenstrahlung Isodosenvergleich: Co γ-strahlung und 18MV Bremsstrahlung Wie entsteht der Aufbaueffekt? Photonen erzeugen Sekundärelektronen Stärkeres Eindringvermögen Steilerer Randabfall Ausgeprägterer Aufbaueffekt SE bewegen sich in Strahlrichtung SE übertragen ihre kinet. Energie Überlagerung der Dosisbeiträge Dosis nimmt zunächst zu Maximum bei mittl. Reichweite der SE Praktische Bedeutung: Hautschonung (!!!) Elektronenstrahlung Prozentuale Tiefendosis Oberflächennahe Behandlungen Strahlenarten Röntgenröhren Interstitelle und Intrakavitäre Therapie Brachytherapie Brachy (griech.) nah, kurz Interstitielle Therapie Beispiel: Prostata 125 I Seeds Ausnutzung des Abstandsquadratgesetzes zur gezielten kleinvolumigen Bestrahlung Interstitielle Therapie: Strahlenquelle(n) wird direkt in das Bestrahlungsvolumen gebracht Intrakavitäre Therapie: Strahlenquelle wird über (natürliche oder künstliche) Körperöffnungen in Kontakt oder unmittelbare Nähe des Bestrahlungsvolumens gebracht Verteilung der Seeds nach Applikation (ap-röntgenbild) Planung der Seedpositionen (Ultraschall)

10 Strahlenarten Teletherapie Röntgenröhren Interstitelle und Intrakavitäre Therapie Afterloading-Technik Strahlenquelle: 192 Ir ( Co, 137 Cs) HDR (High Dose Rate) > 12 Gy/h Kurze Bestrahlungszeiten Afterloading-Technik 5.0 mm Strahlenquellen Afterloading-Technik Applikatoren für Gynäkologische Anwendungen 0.6 mm 1.1 mm 3 mm steel cable 3.5 mm Active Ir-192 Core Vaginalapplikator für die Brachytherapie nach dem Afterloadingverfahren. Intrauterine gebogene Einkanalsonde mit Vaginalzylinder Afterloading-Technik Afterloading-Technik Filmaufnahme (Filmschwärzung durch γ-strahlung) Dosisverteilung bestimmt durch Geometrie des Applikators Haltepunkte Optimierung durch Modifikation der Haltezeiten 1 cm Filmmarkierung

11 Zusammenfassung Zusammenfassung Strahlentherapie Strahlentherapie Teletherapie Brachytherapie/Afterloading Teletherapie Brachytherapie/Afterloading Photonen Korpuskel Photonen Korpuskel Photonen Korpuskel Photonen Korpuskel Röntgen Elektronen γ-strahlung β-strahlung Röntgen Elektronen γ-strahlung β-strahlung Telekobalt Megavolt Protonen, Neutonen, schwere Ionen Interstitiell Permanent Intrakavitär Temporär Telekobalt Megavolt Protonen, Neutonen, schwere Ionen Interstitiell Permanent Intrakavitär Temporär