Medizinische Biophysik in der Strahlentherapie. Stephan Scheidegger 2014

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1 Medizinische Biophysik in der Strahlentherapie Stephan Scheidegger 2014

2 Contents STRAHLENPHYSIK GRUNDLAGEN RADIOLOGIE STRAHLENBIOLOGIE ROENTGENTECHNIK Einführung Radio Onkologie Arten der Strahlentherapie Bestrahlungsgeräte / LINAC Bestrahlungsplanung Kombinierte Krebstherapien Dosimetrie

3 Ziele Wichtigste Tumortherapien nennen können Begriffe definieren können grundlegende (bio) physikalische Prinzipien beschreiben können Verschiedene Arten der RT beschreiben können

4 Einführung Radio Onkologie Krebs ist eine der häufigsten Todesursachen Zunahme an Krebsleiden durch veränderte Altersstruktur der Bevölkerung Eine einheitliche Erkrankung Krebs gibt es nicht: Es sind über 100 bösartige Tumore mit sehr unterschiedlichem Verhalten und Ansprechen auf Therapie bekannt. Mortalität dank verbesserter Therapie in den letzten Jahrzehnten gesenkt

5 Einführung Radio Onkologie Krebs entsteht, wenn die Wachstumskontrolle bei Zellen verloren geht und aggressives Wachstum eintritt. Gründe dafür sind Mutationen des Genoms durch: Gifte, chemische Karzinogene oder Asbestfasern Strahlung chronische Entzündungen Viren (HPV: zervix Karzinom, Epstein Barr Virus: Burkitt Lymphom) spontane Mutationen

6 Zelluläre Strahlenbiologie Chromosomenschäden Translokation Deletion Einzelstrangbrüche: relativ unbedeutend Doppelstrangbrüche: Zelltod, Mutationen, Kanzerogenese verschiedene Arten von Chromosomenaberrationen

7 Einführung Radio Onkologie Tumore werden unterteilt in gutartige (benigne) Tumore: keine Tendenz zu Metastasen Bösartige (maligne) Tumore: Invasives Wachstum und starke Tendenz zur Metastasierung Es gibt dazwischen alle möglichen Abstufungen (z.b Spinaliom = semimaligner Tumor)

8 Einführung Radio Onkologie Tumore werden unterteilt in Karzinome (bösartige Tumore des Epithels, also von Haut und Schleimhäuten ausgehend) Sarkome (bösartige Tumore des mesenchymalen Gewebe, also von Binde und Stützgewebe sowie von peripheren Nerven ausgehden) Lymphome und Leukämien (bösartige Erkrankung des lymphatischen Systems und der Blutzellen nichtsolide Tumore)

9 Einführung Radio Onkologie Die häufigsten Tumore sind Prostatakarzinom Brustkrebs / Mammakarzinom Kolorektale Karzinome Gebärmutterkarzinom maligne Lymphome Karzinome der oberen Schluckstrasse Schilddrüsenkarzinome

10 Einführung Radio Onkologie Typische Entwicklung von Tumorleiden Tumor Induktion Tumorprogression Avaskuläre Wachstumsphase vaskuläre Phase, invasives Wachstum Metastasierung (hämatogen, lymphogen)

11 Genetischer Schalter am Beispiel Hypoxie N(t) Tumorwachstum

12 Einführung Radio Onkologie Klinische Stadieneinteilung bösartiger Tumore (TNM Klassifikation) T: Grösse und Nachbarschaftsbeziehung des Primärtumors (T0: Primärtumor unauffindbar, T1: kleiner Tumor (< 2 cm), T4: Tumor bricht in Nachbarorgane ein) N: Ausmass der regionären Lymphknotenmetastasierung (N0: keine, N3 sehr ausgedehnte Lymphknotenmetastasierung) M: Fernmetastasierung (M0: keine, M1: Fernmetastasen bekannt)

13 Einführung Radio Onkologie Arten der Krebstherapie Chirurgie Chemotherapie (CT) Strahlentherapie (RT) Antikörper, Immuntherapie Hormontherapie Hyperthermie (beglitend zu CT und oder RT)

14 Einführung Radio Onkologie Therapieziele Kurativ: Tumorkontrolle bis zur totalen Tumor Remission Palliativ: Bekämpfung der klinischen Symptome (Schmerzen!) steht im Vordergrund

15 Einführung Radio Onkologie Wirkungsweise der Strahlentherapie Indirekt: Ionisation führt zu freien Radikalen und Peroxidbildung in der Zelle Direkt: Schäden auf der DNA (abhängig vom LET) Schäden führen zu eingeschränkter Zellfunktion verminderte Reparaturfähigkeit von Tumorzellen Zelltod

16 e aq H. + OH. H 2 O 2 DNS labiler Vormutationszustand Repair- Mechanismus Apoptose fixierte Mutation

17 b c Dosis a log(anzahl überlebender Zellen)

18 LQ Modell

19 LQ Modell log S ( D D ) 2

20 LQ Modell log S ( D D ) 2 log S D

21 0 logs -4-8 b d c a Dose D / Gy

22 -4 logs a b Time t (days) logs b a Dose D (Gy)

23 Tumor Control Probability TCP

24 TCP und NTCP: therapeutisches Fenster

25 Oxygenation and TCP log(s) -8 log(s) Dose D / Gy Dose D / Gy TCP TCP Dose D / Gy Dose D / Gy 60

26 Oxygenation E = (0.1, 0.16, 0.25, 0.40, 0.63, 1.00) Gy -1 k Eres = (0.2, 0.8, 1.4, 2.0) day k Eres = 2.0 day E = 0.75 Gy -1 V T / V E V T / V E Time t / days Time t / days po 2 / mm Hg po 2 / mm Hg Time t / days Time t / days 30

27 Arten der Strahlentherapie Perkutane Strahlentherapie: Von Aussen, Erzeugung eines Strahlenfeldes mit einem Teilchenbeschleuniger (z.b. LINAC), einer Röntgenröhre oder einer 60 Co Quelle Brachytherapie: geschlossene radioaktive Strahlenquelle im Patient (Jod Seeds bei Prostata /LDR oder 192 Ir / HDR Brachy) Metabolische Therapie (Nuklearmedizin, e.g. 131 I für Schilddrüsenkarzinome)

28 192 Ir Quelle für HDR Brachytherapie

29 Arten der Strahlentherapie Perkutane Strahlentherapie Strahlenarten: Photonen (typische Energie 6 23 MeV) Elektronen (typische Energien 6 23 MeV) Protonen (z.b. Spotscanning Methode am PSI) Schwerionen

30 Arten der Strahlentherapie Perkutane Strahlentherapie ein paar Begriffe: konformale Bestrahlung Intensitätsmodlulierte RT (IMRT) Image Guided RT (IGRT) stereotaktische RT intra Operative Bestrahlung

31 Linear Accelerator (LINAC)

32 Aufbau und Funktion eines Linearbeschleuniger (1) Feststehender Teil mit RF Erzeugung (6) (2) Rotierbare Gantry (3) Beschleuniger Rohr (4) Kathode (Electron Gun) (5) Bending Magnet (7) Kollimator

33 The Forces Behind Elektrisches Feld e - elektrische Kraft: Beschleunigung gegen die Feldrichtung dp q E( r) v B( r) dt N S Magnetisches Feld ''magnetische'' Kraft = Lorentz-Kraft: Ablenkung nach vorne

34 Aufbau und Funktion eines Linearbeschleuniger Electron bunch

35 Aufbau und Funktion eines Linearbeschleuniger

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39 Arten der Strahlentherapie Kombinierte Therapien: Chemoradiotherapie (CTRT) Hyperthermie RT multimodale Therapien

40 Motivation: HT RT Heating (up to 43 C) prior or after radiation increases effect of RT ( synergistic effect)

41 Hyperthermie: Oberflächenhyperthermie

42 Brustwandrezidiv Mammakarzinom

43 Brustwandrezidiv Mamma Ca 12Mt nach RT+HT

44 Radiation AND Heat? Biological response is based on dynamic processes: We prefer the term system instead of mechanism 0.0 logs Effect strength of radiation and heating / a.u effect of heat radiation dose equivalent time gap t / days time t / days

45 Modelling the synergistic effect of HT RT: MHR Approach

46 Systemic: Immune system interaction ph immune cell activity Local macroscopic (tissue): Tumor host interaction Perfusion acidic metabolites ph host tissue restistance Mesoscopic: repair radiation induced damages / cell death DNA repair cell death Proteins: Reaction kinematics (deactivation and repair) Protein misconvolution DNA repair Microscopic (proteins): molecular dynamics T protein misconvolution

47 Dosimetrie Ziel: Verordnete Dosis so genau wie möglich applizieren (im Referenzpunkt und räumlich)

48 Monitor Units (MU) vs Dosis MU vs. D ref?

49 Monitor Units (MU) vs Dosis MU D... SCD k SC SP SPD 2 S C : Collimator scatter factor S P : Phantom scatter factor k: cgy/mu

50 Monitor Units (MU) vs Dosis