Prof. Dr. Wolfgang Schlegel, Abteilung Medizinische Physik in der Strahlentherapie

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1 Prof. Dr. Wolfgang Schlegel, Abteilung Medizinische Physik in der Strahlentherapie

2 Krebsforschung heute 2006 Innovative Krebsdiagnostik und -therapie 117 Bestrahlung mit Einsicht In Zukunft kænnen Ørzte Lage und Ausdehnung eines Tumors auch wåhrend der Bestrahlung im Bild mitverfolgen Im Keller des Deutschen Krebsforschungszentrums herrscht an manchen Wochenenden çberraschende Betriebsamkeit: Hinter meterdicken Betonmauern zerlegt eine Gruppe von Physikern, Ingenieuren und Ørzten eine provisorisch anmutende Maschine, den experimentellen Linearbeschleuniger. Die Einzelteile des Geråts werden im Erdgeschoss benætigt, am Bestrahlungsgeråt fçr die Patientenbehandlung. Dort bringen die Wissenschaftler eine Ræntgenræhre an und installieren einen Strahlendetektor. Dicke Kabelstrånge mçssen verlegt, alle Komponenten des Apparats neu justiert werden. Eile ist geboten, um den engen Zeitplan des Patientenbetriebs so wenig wie mæglich zu beeintråchtigen. Keine Frage, dass die Mitarbeiter der Abteilung Medizinische Physik in der Strahlentherapie dafçr Samstag und Sonntag opfern. Nach fast viertågiger Installation nimmt schlieûlich ein Beamter des TÛV den Umbau ab. Anlass fçr den tagelangen Aufwand ist die Erprobung eines neuen Behandlungsverfahrens. Die Wissenschaftler machen das Bestrahlungsgeråt ± den Linearbeschleuniger, kurz Linac genannt ± einsatzbereit fçr die ¹bildgesteuerteª oder ¹adaptiveª Strahlentherapie. Strahlentherapeuten sehen sich bei ihrer Arbeit immer mit demselben Problem konfrontiert: Sie kænnen Krebs umso besser heilen, je hæher die Strahlendosis ist, die sie dem Tumor verabreichen. Doch je hæher die Dosis, desto zuverlåssiger mçssen die Ørzte vermeiden, dass umgebendes, gesundes Gewebe in die Schusslinie der Strahlen geråt. Dank moderner Verfahren hat die Bestrahlung in den letzten Jahren ein unglaubliches Maû an Pråzision erreicht (siehe Kasten Seite 119). Die Therapeuten kænnen den Strahl heute mit einer Genauigkeit von einem halben Millimeter auf den Tumor lenken. Doch was, wenn sich der Tumor gar nicht dort befindet, wo ihn die Mediziner vermuten, oder wenn seine Lage sich wåhrend der Behandlung veråndert?

3 118 Bestrahlung mit Einsicht...Kontrolle ist besser Mit dem neuen Verfahren aus dem Krebsforschungszentrum, das Linearbeschleuniger und Ræntgen-Computertomographen in einem Geråt vereint, låsst sich dies nun jederzeit çberprçfen. ¹Ideal an unserer Technik ist, dass sich die Ørzte vor Beginn jedes Therapiezyklus schnell ein Bild von der Ist-Situation machen kænnenª, sagt Professor Wolfgang Schlegel, Leiter der Abteilung Medizinische Physik in der Strahlentherapie. Anlass fçr Schlegels Neuentwicklung war ein in der Strahlentherapie schon lange bekanntes Problem: Viele Tumoren verschieben sich durch nicht willentlich steuerbare Bewegungen im Kærper. Ein anschauliches Beispiel dafçr ist Prostatakrebs: Je nach Fçllungszustand der Harnblase verrutscht der Tumor um bis zu einen Zentimeter. Gerade hier ist hæchste Vorsicht geboten, liegt doch unmittelbar benachbart der strahlensensible Enddarm, der auf jeden Fall geschont werden muss. Bei anderen Krebserkrankungen ist es die Therapie selbst, die Ønderungen von Volumen und Form des Tumors bedingt: beispielsweise dann, wenn die Bestrahlung von Tumoren im Kopf-Halsbereich Wirkung zeigt. Zwischen der bildgebenden Diagnose, auf der die Planung einer Bestrahlung beruht, und dem Abschluss der bis zu 38 Therapiezyklen liegen oft Wochen bis Monate. Besser, die Ørzte verlassen sich nicht ausschlieûlich auf ihre ursprçnglichen Aufnahmen. Aus Schlegels Abteilung sind an der Entwicklung der adaptiven Therapie die Physiker Dr. Bernd Hesse, Professor Uwe Oelfke, Dr. Simeon Nill und Thomas Tçcking beteiligt, auûerdem der Ingenieur Gernot Echner. Fçr die Bildgebung setzen die Wissenschaftler einen breit aufgefåcherten, kegelfærmigen Ræntgenstrahl (¹cone beamª) ein. Damit erzeugen sie bei einem einzigen Schwenk der Ræntgenræhre um den Kærper des Patienten ein Bild des gesamten Bestrahlungsgebiets. Ein der Ræntgenræhre gegençberliegender Flåchen- Der Multileaf-Kollimator, der als Strahlenblende wirkt, passt den Therapiestrahl an die individuelle Anatomie des Tumors an

4 Krebsforschung heute 2006 Innovative Krebsdiagnostik und -therapie 119 Risikoorgane immer besser schonen Viele technische Neuerungen haben in den letzten Jahrzehnten dazu beigetragen, dass die Strahlentherapie wirkungsvoller und zugleich schonender wurde. Ûber 60 Prozent aller Krebspatienten erhalten heute eine Strahlentherapie mit dem Ziel der vollståndigen Heilung oder einer deutlichen Linderung des Leidens. Rund 50 Prozent aller Krebspatienten kænnen heute geheilt werden. Dazu trågt die Strahlentherapie etwa zur Hålfte bei, entweder als alleinige Behandlungsform oder in Kombination mit Chirurgie oder Chemotherapie. erreichen, wenn bæsartige Tumoren strahlenempfindliche Organe wie den Sehnerv oder das Rçckenmark hufeisenfærmig umwachsen, so dass die empfindlichen Gewebe direkt in die Schusslinie der Strahlen geraten. Hier setzt eine weitere Entwicklung aus Schlegels Abteilung an, die intensitåtsmodulierte Strahlentherapie (IMRT): Die Methode beruht darauf, die Intensitåten der Strahlendosis innerhalb eines Bestrahlungsfeldes zu veråndern ± zu modulieren. Damit ist es mæglich, die Dosis im Tumor zu erhæhen, ohne benachbarte Risikoorgane in Mitleidenschaft zu ziehen. Professor Wolfgang Schlegel und die Mitarbeiter seiner Abteilung im Deutschen Krebsforschungszentrum haben einen bedeutenden Anteil an diesem Fortschritt. Auf ihr Konto geht unter anderem die Entwicklung des Multileaf-Kollimators, einer vor dem Beschleuniger angebrachten Blende, deren Lamellen computergesteuert den Querschnitt des Strahlenbçndels formen. So passt sich das Strahlenfeld bei jeder Einstrahlrichtung der Tumorkontur an ± Konformationsstrahlentherapie nennen die Ørzte das Verfahren. Doch bei kompliziert geformten Tumoren stæût auch diese Methode an ihre Grenzen. Idealerweise wird dem Tumor eine so hohe Dosis verabreicht, dass alle Krebszellen zerstært werden. Dies ist jedoch schwer zu Die IMRT erfordert eine vællig neue Art der Therapieplanung. Nicht mehr der Arzt ermittelt durch Ausprobieren verschiedener Intensitåten und Einstrahlrichtungen die optimale Dosisverteilung. Vielmehr gibt er dem Computer die Konturen des Tumors und der Risikoorgane, die Solldosis im Tumor und die Toleranzdosen der Risikoorgane vor, und der errechnet die bestmægliche Dosisverteilung (¹Rçckwårts-Planungª). Verschiedene Studien zeigen bereits die Vorteile fçr den Patienten: Beim Prostatakarzinom sinkt die Rate der Darmkomplikationen, bei der Bestrahlung von Brustkrebs werden Herz und Lunge, bei der Behandlung von Kopf-Halstumoren die Speicheldrçsen besser geschont. Die IMRT wird inzwischen weltweit in vielen Kliniken eingesetzt.

5 120 Bestrahlung mit Einsicht detektor aus amorphem Silizium erfasst bei jedem Grad der Umdrehung ein bis zwei Bilder. Die Prozedur dauert rund eine Minute. Innerhalb kçrzester Zeit rekonstruiert ein Computer aus den Einzelbildern die dreidimensionale Tumoransicht auf dem Monitor. auch minimale seitliche Positionsabweichungen erfasst werden, bei denen der Tumor aus dem Bestrahlungsfeld geråt. Geringfçgige Abweichungen in der senkrechten Ebene dagegen spielen keine groûe Rolle fçr die Genauigkeit und Sicherheit der Behandlung. Eine Besonderheit des Geråte-Prototypen aus dem Krebsforschungszentrum ist die 1808-Anordnung der Komponenten: Beschleuniger und Ræntgenræhre stehen sich direkt gegençber. So ist gewåhrleistet, dass Seit Ende 2004 wird die bildgesteuerte Therapie im Krebsforschungszentrum klinisch erprobt. Die Strahlentherapeuten çberprçften mit dem Kegelstrahl bereits bei mehreren Patienten mit unterschiedlichen Tu- Tumor und Risikoorgane werden fçr die Bestrahlungsplanung markiert

6 Krebsforschung heute 2006 Innovative Krebsdiagnostik und -therapie 121 morerkrankungen die perfekte Positionierung. Jeder dieser Behandlungen geht der aufwåndige Umbau des Beschleunigers voraus, jedes Mal aufs Neue ist eine TÛV-Abnahme fållig. Erleichterung fçr die Patienten In Zukunft soll das Verfahren die Strahlentherapie fçr Patienten nicht nur sicherer, sondern auch ertråglicher machen. Um das Potenzial der hohen Treffsicherheit einer Pråzisionsstrahlentherapie voll auszuschæpfen, mçssen die Kranken heute auf der Bestrahlungsliege rigide fixiert werden. Fçr Patienten mit Tumoren im Kopf-Halsbereich, die im Krebsforschungszentrum mit der intensitåtsmodulierten Strahlentherapie behandelt werden, bedeutet das, sich bei jeder Therapiesitzung in eine eng anliegende, individuell angefertigte Plastikmaske zu zwången. Gerade mal die Nasenspitze bleibt zum Atmen frei. Wird ein Prostatakarzinom behandelt, kommt zur Kopfmaske noch ein mit der Liege verschraubtes Kærperkorsett dazu. Kann jedoch bei jedem Bestrahlungstermin der Tumor im Bild mitverfolgt und die Positionierung entsprechend nachjustiert ± ¹adaptiertª ± werden, dann entfållt die Notwendigkeit, den Patienten derart einzuzwången. Eine groûe Erleichterung ± sicher nicht nur fçr Menschen mit einer Neigung zur Klaustrophobie. Ein Mehr an Komfort fçr den Patienten, was langfristig auch Kosten einsparen wird: Das individuelle Anfertigen der Masken und Kærperkorsette ist zeitaufwåndig und erfordert speziell ausgebildetes medizinisches Personal. Die Linien entsprechen den Einstrahlrichtungen

7 122 Bestrahlung mit Einsicht Tumoren unter permanenter Bildkontrolle Neben dem Kontrollieren und Nachjustieren sehen die Ørzte fçr die neue Technologie noch ganz andere Einsatzmæglichkeiten: Ihnen schwebt eine Krebsbehandlung vor, bei der der Therapiestrahl nur dann ausgelæst wird, wenn der Tumor den Strahlengang kreuzt. Fçr die Behandlung von Lungenkrebs wird diese so genannte ¹gated therapyª derzeit im Krebsforschungszentrum vorbereitet. Dabei erfasst ein Sensorgçrtel um den Brustkorb des Patienten Atemfrequenz und Atembewegung. Gleichzeitig låsst sich çber die Bildgebung mitverfolgen, wie der Lungentumor durch das Auf und Ab des Atmens verschoben wird. Ziel ist, den Therapiestrahl so mit der Bewegung zu synchronisieren, dass nur genau in dem Moment gefeuert wird, in dem sich die Geschwulst an einer definierten Position befindet.

8 Krebsforschung heute 2006 Innovative Krebsdiagnostik und -therapie 123 ¹Wir hoffen, dass damit auch Lungenkrebspatienten deutlicher von der Strahlentherapie profitieren kænnenª, sagt Professor Peter Huber, Leiter der Klinischen Kooperationseinheit Strahlentherapie, ¹denn bisher war oft das Risiko zu hoch, das empfindliche Lungengewebe zusåtzlich zu schådigen.ª Auch Patienten mit Tumoren der Bauchspeicheldrçse oder mit Lebermetastasen, die ebenfalls von der Atmung mitbewegt werden, kænnte die bewegungssynchronisierte Bestrahlung zugute kommen. Was ist die Vision der Strahlentherapeuten? ¹Das Beste wåre, den Tumor gar nicht erst aus den Augen zu verlierenª, sagt Wolfgang Schlegel. ¹Trackingª nennen sie das, das ståndige Mitverfolgen des Tumors durch den Therapiestrahl unter permanenter Bildkontrolle. Dazu mçssen noch ein paar technische Hçrden çberwunden werden. ¹Die Entwicklung der bildgesteuerten Therapie steckt noch in den Kinderschuhenª, so Schlegel, ¹sowohl bei der technischen Umsetzung, als auch, was die Einsatzgebiete angeht.ª Das Potenzial, das in der Erfindung aus Schlegels Abteilung steckt, wurde bereits an anderer Stelle erkannt: Die Firma Siemens Medical Solutions hat vom Krebsforschungszentrum die Lizenzen an der Technologie erworben und wird das Geråt weltweit auf den Markt bringen. Sibylle Kohlstådt Literatur Oelfke, U. et al.: Medical Dosimetry 31(1), 2006 Nill, S. et al.: Phys. Med. Biol. 50:4087, 2005