Physikalische Aspekte der Strahlentherapie Physikalische Aspekte der Strahlentherapie

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1 Physikalische Aspekte der Strahlentherapie

2 Historisches 1895 Entdeckung der Röntgenstrahlen 1896 Entdeckung der Radioaktivität Wilhelm Conrad Röntgen 1845 bis 1923 Marie Curie 1867 bis 1934 Antoine Henri Becquerel 1852 bis 1908

3 Historisches Unmittelbar nach der Entdeckung: Zahlreiche Experimente sowohl mit den X-Strahlen als auch mit Radioaktivität Schon bald Hinweise auf biologische Wirkung ionisierender Strahlen Nutzbringend (Strahlentherapie): Einsatz ionisierender Strahlen für therapeutische Zwecke Schädlich (Strahlenschutz): Klinisch manifeste Schäden, meist an der Haut ( Deterministische Strahlenwirkung ) Induktion von Tumoren ( Stochastische Strahlenwirkung )

4 Beginn der Strahlentherapie. Oberflächentherapie (Moulage), Brüssel 1931 Röntgentherapieanlage, Indiana 1921

5 Was ist Strahlung? Transport von Energie Beispiel: Infrarotstrahlung

6 Strahlungsteilchen Strahlungsteilchen Energietransport von der Quelle zur Senke geschieht durch Strahlungsteilchen Jedes Teilchen hat eine definierte Energie (E) Teilchen können eine Masse haben oder auch nicht Falls E > Bindungsenergie des Elektrons im Atom, wirkt die Strahlung auf Materie (Atome) ionisierend

7 Ionisierende Strahlung freies Elektron Strahlungsteilchen Ionisierende Strahlung zeichnet sich dadurch aus, dass die Strahlungsteilchen eine so hohe Energie (> 5 kev, Photonenstrahlung) haben, dass sie Atome ionisieren können.

8 Strahlenarten Wellenstrahlung Wird auch elektromagnetische Strahlung genannt Teilchen der Strahlung sind Photonen Photonen haben keine Masse und keine elektrische Ladung Ein Photon hat eine bestimmte Energie Bei Photonenenergie > 5 kev, wirken indirekt ionisierend auf Atome Materiestrahlung Korpuskularstrahlung Besitzen Masse Können Ladung besitzen Unterschiedliche Energien Teilchen der Strahlung sind z.b. Alphateilchen und Betateilchen (Elektronen), Protonen, Ionen Ionisierend auf Atome! Photonenstrahlen werden beim Durchgang durch Materie geschwächt (Zahl nimmt ab, näherungsweise exponentiell) Anzahl Strahlung geladener Teilchen besitzt eine endliche Reichweite (Energie der Teilchen nimmt ab, die Zahl bleibt näherungsweise konstant) Anzahl Tiefe Tiefe

9 Strahlenbiologische Wirkungskette Trifft ionisierende Strahlung auf biologisches Gewebe, so schließen sich Folgeprozesse an, die gesundheitsschädigende Wirkung haben können!

10 Ziel der Strahlentherapie Strahlentherapie ist eine lokale Therapie Möglichst homogene Bestrahlung einer definierten Körperregion ( Zielvolumen PTV: Planning Target Volume) mit einer festgelegten Strahlenmenge Schonung des umliegenden gesunden Gewebes Einhaltung von Dosisbegrenzungen für besonders strahlensensible Organe/Gewebe ( Risikoorgane OAR: Organs at Risk)

11 Was wird dafür r benötigt? Eine Messgröße, die die Strahlenmenge beschreiben kann und mit dem biologischen Effekt der Strahlung korreliert ist Ein Strahlenfeld, das hinreichend weit ins Gewebe eindringen in Richtung und Form an die Aufgabe angepasst werden und effizient erzeugt werden kann. Ein Patientenmodell, das die geometrische Anatomie des Patienten die zu bestrahlende Region (Zielvolumen) die zu schonenden Strukturen (Risikoorgane) sowie physikalische Parameter zu Berechnung der Wechselwirkung der Strahlung mit dem biologischen Objekt enthält

12 h ν 0 h ν 1 M L K Physikalische Aspekte der Strahlentherapie Quantifizierung der Strahlenmenge - Dosis Die biologische Wirkung ionisierender Strahlung ist hinreichend gut korreliert mit der durch ionisierende Strahlung in einem bestimmten Volumen ΔV deponierte Energie ΔE Diese Größe nennt man Dosis in Analogie zur Verschreibung von Pharmaka ΔE D = Δ m Einheit: Gray (1 Gy = 1 J/kg) Energie der einfallenden Strahlung Gotthus-Draper-Gesetz: Von der auf ein biologisches Objekt treffenden ionisierenden Strahlung wird nur der absorbierte Anteil wirksam E Volumen ΔV Energie der austretenden Strahlung E - ΔE auf den Stoff übertragene Strahlenenergie

13 Externes Strahlenfeld Teletherapie Um die beabsichtigte Wirkung am vorgesehenen Ort (Zielvolumen) auszulösen, muss ionisierende Strahlung dort Energie deponieren Dabei muss die ionisierende Strahlung das Zielvolumen überhaupt erreichen gesundes Gewebe in der Umgebung möglichst verschonen

14 Photonenschwächung chung Physik Aufgrund der leichten Erzeugbarkeit und ihrer Eigenschaften dominieren heute noch die Photonenstrahlen (Röntgen- und γ-strahlung) Allerdings muss wegen der Energieabhängigkeit der Schwächung die Photonenenergie relativ hoch sein (mehrere MeV) Strahlenquelle Tumor Schwächungsgesetz N 0 Photonen N µd Materie = N 0 e N Photonen d

15 Vielfelder-Techniken Multiple Einstrahlrichtungen Hohe Dosis im Schnittgebiet aller Strahlenfelder

16 Erzeugung von Photonenstrahlung Hochspannung Beschleunigung von Elektronen (erzeugt durch Glühemission) in einem statischen elektrischen Feld U + Energieeinheit ev: E kin =Q*U=e*U Emission von Bremsstrahlung und von charakteristischer Strahlung beim Auftreffen auf die Anode = Röntgenstrahlung

17 Prinzipaufbau eines Beschleunigers HF-Erzeuger (Modulator) Elektronenquelle Beschleunigungsrohr (Waveguide) Strahlerzeugung u. Strahlformierung Dosimetriesystem Kollimationssystem Kühlung Steuerung Hochfrequenzgenerator Bildgebung zur Kontrolle der Patientenpositionierung Beschleunigungsstrecke MeV - Elektronenstrahl Elektronenkanone Ablenkmagnet Target Gantry Isozentrum Laser Detektor Blende (Kollimator) Patient EPID-System (Electronic Portal Imaging Device) Patientenliege

18 Aufbau eines Beschleunigers Beschleunigungsstrecke HF-Erzeugung Strahlformierung Kollimator

19 Physikalische Aspekte der Strahlentherapie Patientenmodell Bsp. HNO-Tumor Patientenmodell aus CT-Serie Ca. 100 Schichten, Abstand O 3 mm Konturierung des Zielvolumens und der Risikoorgane Physikalische Parameter für die Dosisberechnung Danach folgt die physikalische Bestrahlungsplanung (7./8.Semester)

20 Beispiel 1: HNO-Tumor Pat. mit HNO-Tm, GD 48 Gy, 2 x 2 Gy/Tag Komplexes Zielvolumen mit Versuch Risikoorgane zu schonen 5 Beams, 44 Segmente Bestrahlungszeit: < 5 min

21 Beispiel 2: Prostata-Tumor Pat. mit Prostata-Tm, GD 50.4 Gy, 1.8 Gy ED dann Boost bis 74 Gy mit 2Gy ED 7 Beams, 61 Segmente Bestrahlungszeit: ca. 6 min

22 Beispiel 3: Gynäkologischer Tumor Pat. mit gynäkologischem Tm, GD 45 Gy Komplexes Zielvolumen mit Versuch Risikoorgane zu schonen 7 Beams, 88 Segmente Bestrahlungszeit: ca. 9 min

23 Tele- und Brachytherapie Teletherapie Brachytherapie Strahlenquelle Strahlenquellen Tumor/Zielvolumen Tumor/Zielvolumen

24 Strahlenquelle im Tumor - Brachytherapie Einsatz von geeigneten Quellen, die Gamma-Strahlung emittieren Strahlenquellen Steiler Dosisabfall mit zunehmender Entfernung vom Strahler (Abstandsquadratgesetz) Nur für kleine Volumina möglich 2 Verfahren: Permanente Implantation der Strahler (Dosisapplikation über lange Zeit) Temporärer Einsatz von Strahlern (Afterloading) Fläche A 1 s 1 a 1 Fläche A 2 a 2 2 ( 2 ) s1 = 2 ( ) s D s D s 1 2 Tumor/Zielvolumen

25 Strahlenquellen Radioaktivität Alpha Zerfall: Der Kern sendet 2 Protonen und 2 Neutronen aus Beta Zerfall: Der Kern sendet ein Elektron oder ein Positron aus Gamma Zerfall: Der Kern sendet ein Photon aus (elektromagnetische Welle) Nicht geeignet für Strahlentherapie Alpha Strahlung Beta Strahlung Bedingt geeignet für Strahlentherapie Geeignet für Strahlentherapie Gamma Strahlung

26 Prinzip Afterloading Strahlenquelle an Stahlseil wird in den in situ platzierten Applikator per Fernsteuerung eingefahren Punktquelle (1mm x 3mm, 192 Ir) Dosisformung durch multiple Standpositionen mit unterschiedlicher Standzeit

27 Beispiel - Vaginalapplikator Bestrahlung von Vaginalstumpf oder Stumpfnarbe beim Endometrium-Ca

28 Beispiel Ring-Stift Applikator Bestrahlung der Portio bei Cervix-Tm mit speziellem Applikator A A 40 mm

29 Beispiel Interstitielle Mamma-Bestrahlung Teilbrustbestrahlung bei Mamma-Ca Clips!! PTV 200 % 150 % 120 % 100 % 90 % 70 % 50 % 30 % 3D-Dosisverteilun g

30 Beispiel Interstitielle Prostatabestrahlung US-gestützte Permanant-Implantation von Iodseeds ( 125 I) als alleinige Bestrahlung (Dosis ca Gy, appliziert über mehrere Monate) Analoge Technologie auch mit Afterloading möglich (temporär, nur Boostbestrahlung)

31 Beispiel Interstitielle Prostatabestrahlung Seed im Rö-Bild (o.) und in der 3D Reko (u.) Dosisverteilung in der Prostata überlagert mit dem US-Bild