Strahlentherapie. Wechselwirkung Photonen Materie. Wechselwirkung Elektronen Materie

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1 Wechselwirkung Photonen Materie Photoeffekt - Stoß zw. Photon und Elektron der Atomhülle - τ = Photoabsorptionskoeffizient - τ / ρ = Massen-Photoabsortptionskoeffizient - char. Röntgen und/oder Augerelektronen Comptoneffekt - Photon -> Compton-Elektron + Compton-Photon Paarbildung (in Atomhülle) - Nicht im Vakuum - Teilchen-Antiteilchen wird erzeugt - Photon mit min kev - Paarbildungskoeffizient: κ ~ Z * ρ ln (E_y) Triplettbildung (mit el. Feld eines Elektron) - Photon mit min kev - Elektron-Teilchen-Antiteilichen Röntgenstrahlung und Comptoneffekt - Therapeutisch: Streustrahlung erheblich weicher - Diagnostisch: Streustrahlung kaum weicher - Relative Tiefendosis in Abh. der Eindringtiefe - Dosis-Aufbaueffekt Wechselwirkung Elektronen Materie Stoßbremsung - Unelastischer Stoß Elektron-Materie - Energieverlust der Materie mit Bethe-Bloch - Tiefpunkt in Bethe-Bloch-Formel resultiert aus relativistischer Massenzunahme (97% von c) Strahlungsbremsung - Elektron wird im Feld des Atomkerns abgebremst -> Röntgenbremsstrahlung - Bremsstrahlungsspektrum ändert sich bei steigender Energie kaum -> Absorptionsverhalten schon (erste Spitze steigt -> mehr Energie) Bahnlänge und Reichweite von Elektronen - Mittlere (wahre) Bahnlänge, - Mittlere, Praktische Reichweite, Maximale Reichweite - Eindringtiefe steigt mit steigender Energie - D/D_max fällt aber immer S e i t e 1 7

2 Schwere geladene Teilchen - Nur Stoßbewegung für Ionen - Bethe-Bloch für Ionen - Energieverlust steigt ab best. Eindringtiefe steil an Reichweite und laterales Straggling - Streuung nimmt linear mit Reichweite zu - Laterale Ablenkung steigt mit Eindringtiefe (leichte Teilchen -> stärker) Kernreaktionen - Projektil + Target o Ablation: Abgedampfte Nukleonen und Cluster o Abrasion: Fragmente und Feuerball - Niedrigerere Bragg-Peak-Amplitude (Bremsvermögen) - Fragmentierung steigt mit Z und E des Projektils - Elektronische (unelastische mit Elektron) - Nukleare Wechselwirkungen (elastisch mit Kern) - Nach Bragg-Kurve - Kann modifiziert werden (Spread-out Bragg-Peakt) o Strahl mit mehreren Energien Photon vs. Ion - Photon gibt Energie meißt in einem (oder wenige Stößen ab) -> Stark abfallende realtive Dosis - Ion Kein Bragg-Peak der abh. von Energie und gewünschter Eindringtiefe ist Wechselwirkung Neutronen mit Materie - Keine Coulombwechselwirkung (Ww nur mit Kernen) - N-Kern-Wechselwirkung (abh. Energie des Neutrons, Radius, Eigenschaften und Nukleonenkonfiguration) - Schnelle neutronen Strahlenbiologisch sehr wirksam Elastische Neutronenstreuung - Restenergie abh. von Streuwinkel und Nukleonenzahl - Vorwärts-/Rückwärtsstreuung Weitere: - Unelastische Streuung - Neutroneneinfang mit Emission (geladener Teilchen oder Photonen) - Neutronen induzierte Kernspaltun S e i t e 2 7

3 Biologische Wirkung ionisierender Strahlung Dosis - Dosis [Gy] = deponierte Energie / Masse - 1 Gy -> Wasser um C wärmer - Gewebezerstörung nicht durch Erwärmung sondern Zerstörung von Molekülbindungen durch die ionisierende Strahlung RBE - Relative Biologische Wirksamkeit - RBE = D von 250kV Röntgen / D(andere gewählte Strahlung) - Wirksamkeit im Vergleich zu Röntgen - Zellüberleben wird über die Dosis aufgetragen OER - Oxygen Enhancement Ratio - OER = D(anaerob) / D(aerob) - Zellüberleben über Dosis - Mehr Sauerstoff führt zu mehr freien Radikalen führt zu mehr Schäden im Gewebe DNA als Target der Strahlenwirkung - Direkt durch z.b. Elektron - Indiriekt durch OH - Einfache Schäden vs. Kompelxe Schäden Radiotherapie - Tumor vernichten -> umliegend bleit gesund Brachytherapie - Strahlenquelle nah an Tumor bringen o Kontakt -> oberflächennah o Interstitiel -> permanent oder temporär in Tumor o Intrakaviatär -> in Hohlräume o Nachlade -> vorverlegte Appikatoren Radionuklidtherapie - Selektives Anlagern von Radioisotopen (Nuklearmedizin) Teletherapie - Bestrahlung durch externe Geräte (d>10cm) S e i t e 3 7

4 Beschleuniger -Kreis vs. Linear Linearbeschleuniger Die Beschleunigung (Stehwellenbeschleuniger) - Stehwellenprinzip/Prinzip des Wlelenreiters - Teilchen passieren Röhren -> In jeder werden sie beschleunigt -> in jeder ist das elektirsche Feld maximal (Beschl. Nach rechts) -> Durchlaufzeit der Elektronen und Frequen angepasst Die Hochfrequenzerzeugung (Klystron) - Aufbau: Kathode Buncher Hohlraumresonator - Drift Catcher Hohlraumresonator - Anode - Elektronenstrom wird geschwindigkeitsmoduliert (Buncher) -> diese bewirkt Dichtemodulation -> es entstehen Elektronenpakte -> Teil der Energie der Pakte kann als HF- Energie am Catcher entnommen werden -> Verstärkung durch Energieübertrag Der Strahlerkopf - Bündelung, Kollimierung, Strahldiagnose, (Photonenerzeugung) - Streufolienverfahren o verursacht breiteres aber schwächeres Feld o Doppelfolien für Streuung niedriger Energien - Kollimatoren (Elektronen) o Primär: zwischen Streufolien o Sekundär: beweglicher Blendensatz - Photonenerzeugung mittels Bremstarget und Ausgleichsfilter (für laterale Streuung) - Kollimator (Photonen): Multi-Leaf-Kollimator S e i t e 4 7

5 Ringebeschleuniger Isochronzyklotron - Umlaufzeit gleich -> Magnetfeld abh. vom Radius und HF-Spannung konstant - Radialbeschleuniger von Ionen - Hochfrequenz zwischen zwei Magnetfelder -> Ionen auf Kreisbahn beschleunigt -> Drift nach außen -> Abgreifen - Problem: relativistische Massenzunahme -> mehr Energie zum Beschleunigen notwendig o Bahnbedingung: F_zentr = F_lorentz -> m*v² /r = q * v * B o Isochron Bedingung w = v/r = q * B / m = const -> B / m = const -> B_0 ) = B(r=0), B(r) = m(r) * B_0 * m_0 o Oder mit - Radial wachsendes Magnetfeld durch Verringerung des Polschuhabstandes -> führt zur axialen Defokussierung - Axiale Fokussierung: Sektormagneten mit Ridges und Valleys Synchrozyklotron - M-Feld konstant, HF-Frequenz wird nach außen gesenkt Synchrotron - Radius konstant -> M-Feld und Frequenz erhöhen - Ablenkmagenete mit Beschleunigungsstrecken (gerade Bahn) - Feld der Ablenkmagnete wächst proportional zum Teilchen-Impuls - Beschleunigun gmit synchronisierten hochfrequenten Wechselfeldern - Vorbeschleuniger/Injektor notwendig - Höhere Energie als bei Zyklotrons - Phasen o Füllen: E und B konstant o Beschleunigen: E und B und v steigen o Extraktion: E und B konstant Strahlführungen Aktiv - Ablenkmagnete - Step and Shot - Kontinuierlich Passiv - 2D-Aufweitung über Streusystem - Reichweite-Modulator: SOBP - Reichweite-Shifter: Verschiebung des SOBP - Kollimator: Begrenzung - Kompensator: Tumorkontur S e i t e 5 7

6 Telekobaltkanone - Strahlerkopf hat Cobalt-Isotop -> Gammastrahlung - Evlt Auferstehung -> gute Dosisverteilung Brachytherapie - Seeds o Seeds werden implantiert o Seeds sind mit Radioaktiven Material gefüllt o Können permanent implantiert werden o Livetracking o - Nadelimplantation o Temporäre Nadel o Low Dose Rate, High Dose Rate o Nachladegerät ferngesteuert o Präzise Dosisverteilung Electronic Portal Imaging - Bildgestützte Therapie -> Tumor kann sich in Form und Größe ändern - Compton-Wechselwirkung der harten e-linac Strahlung detektiert - Ausleseprinzip bei z.b. amorphem Silizium Zeile für Zeile geschaltet und gelesen Multi-Leaf Kollimatoren (3D konforme Radiotherapie) - Paarweise verstellbare Wolframscheiben - Step and Shot - Sliding Window IMRT Intensitätsmodulierte Radiotherapie - Intensitäten werden abgeschwächt um Dosisverteilung zu erhalten IMRT vs. Mulit-Leaf - Problemstellung IMRT: es kann gut gezielt werden; Zielbereich schlecht eingegrenztbar Zusätzl. Intensitätsmodulation notwendig S e i t e 6 7

7 Tomotherapie - Strahlen von allen Seiten wie wie Tomographie Cyberknife - Röntgenröhre (-kanone ) - mit Strahlnachführung Gammaknife - Helm der Dosisverteilung reguliert -> schirmt ab oder lässt durch, positionierbar Intensitäts modulierte Partikeltherapie (IMPT) - Ablenkmagnete - Filter für Intensität und Position - Dosis-Tiefenverteilung gleichmäßiger IMRT vs. IMPT - Dosisverteilugn gleicht sich fast Bildgeführte Strahlentherapie - Vermeiden von Positionsfehler - Kompensieren von Organbewegungen - Kompensieren von Inter- und intrafraktionellen anatomischen Veränderungen Schonung gesunden Gewebes Prinzipien - Tracking: Räuml. Verteilung des Strahles - Gating: Zeitl. Verteilung des Strahles (z.b. Atemkompensation) - Markerbasiertes Verfahren (auch implantierbare) - Soll/Ist Vergleich mit Nachführung des Patienten o Ultraschall o MRI o Röntgen CT o Stereoskopische Kameras S e i t e 7 7