Das Modul findet im 5. Semester statt bestehend aus 1. Ringvorlesung Grundlagen der Strahlentherapie 28 VL-Std. (zwei SWS: Di jeweils 9:15-10:45 Uhr, Sem.-Raum Med. Physik, CRONA, Raum-Nr. 470) Biologische Grundlagen der Strahlentherapie - 10 VL-Std. Technik und Bestrahlungsplanung in der Strahlentherapie - 12 VL-Std. Klinische Behandlungskonzepte in der Strahlentherapie - 6 VL-Std. 2. Praktische Übungen (geblockt) letzte beiden Semester-Wochen (jeweils Mi u. Do ab 15:00-18:00 Uhr) 1. Mittwoch: 3 Std. Biologie 1. Donnerstag: 3 Std. M-Physik 1. Freitag: 3 Std. M-Physik 2. Mittwoch: 3 Std. M-Physik 2. Donnerstag: 3 Std. Biologie 2. Freitag: 3 Std. Klinik ECTS-Pkte: 6 / Gesamtpräsenzzeit: 46 Std. (28 VL-Std. / 18 Std. Prakt. Übungen) Modulkapazität: 10 Studierende
Modulteil Strahlenbiologie Inhalte des strahlenbiologischen Teils der Ringvorlesung Biologische Grundlagen der Strahlentherapie Zellproliferation und Zellzyklusverteilung in Tumor- und Normalgewebe Klonogene Zellen und Konzept des Zellüberlebens Modelle der strahleninduzierten Inaktivierung von Zellen Radiobiologie von Normalgewebe Radiobiologie von Tumorgewebe und Hypoxieeffekt Biologische Effekte der fraktionierten Radiotherapie / Radiochemotherapie Hyperthermie und Radiotherapie Molekulare Aspekte der Strahlenbiologie und Strahlentherapie
Modulteil Strahlenbiologie Praktische Übungen: Strahlenbiologie Versuch 1 Koloniebildungstest: Zellkultur-Versuch zur Bestimmung der Dosis- Wirkungskurve von Normalgewebe-Fibroblasten und Tumorzellen In diesem Versuch lernen Sie die Beeinflussung des zellulären Überlebens von Normal- und Tumorzellen nach Bestrahlung mit unterschiedlichen, auch klinisch genutzten Strahlendosen kennen. Hierzu wird der Koloniebildungstest verwendet. Dieser Test basiert auf dem Prinzip, dass eine Einzelzelle durch ihre Teilungsaktivität nach ca. 6 Zellteilungsrunden eine Kolonie von definitiv mehr als 50 Zellen bildet (2 6 =64 Zellen). In dem Versuch wird die Überlebensfähigkeit von normalen Zellen (menschliche Fibroblasten) und Tumorzellen der Lunge in ihrer Überlebensfähigkeit nach Bestrahlung mit gleichen Strahlendosen verglichen. Der direkte Vergleich der Überlebenskurven von normalen Zellen und Tumorzellen zeigt, dass Tumorzellen deutlich strahlensensitiver sind als normale Zellen. Auf diesem biologischen Prinzip beruht die Effektivität der Strahlentherapie in der Behandlung von Tumorerkrankungen. 3
Modulteil Strahlenbiologie Praktische Übungen: Strahlenbiologie - Versuch 2 γh2ax-focus Test: Zellkultur-Versuch zur Bestimmung strahleninduzierter DNA-Doppelstrangbrüche und deren Reparatur Ionisierende Strahlung induziert in der zellulären DNA verschiedene Schadensarten, z.b. DNA-Doppelstrangbrüche (DNA-DSB), DNA-Einzelstrangbrüche, DNA-Basenschäden. Diese können durch spezifische Reparaturmechanismen effizient aber meist nicht vollständig beseitigt werden. Nicht reparierte DNA-Schäden insbesondere DNA-DSB gefährden einerseits die Lebensfähigkeit und andererseits die genetische Integrität der betroffenen Zelle. Mit dem γh2ax-focus Test kann man die durch Strahlung induzierten DNA-DSB durch spezifische Antikörper mittels Immunfluoreszenzmikroskopie sichtbar machen und die Induktionsrate der DNA-DSB wie auch deren Reparatur über die Zeit nach der Bestrahlung anhand der fluoreszierenden γh2ax-foci verfolgen. 4
Modulteil Medizin-Physik Inhalte des Medizin-Physik-Teils der Ringvorlesung Medizin-physikalische Grundlagen der Strahlentherapie CT Bildgebung als Grundlage für die Strahlentherapieplanung Moderne Bestrahlungstechniken (Photonen, Elektronen, Protonen, Schwerionen, ) Gerätetechnik Elektronenlinearbeschleuniger Bestrahlungsplanung und Dosisberechnung Qualitätssicherungskonzepte Dosimetrie hochenergetischer Photonenfelder 5
Modulteil Medizin-Physik Praktische Übungen: Medizin-Physik Versuch 1 CT-Bildgebung: Bestimmung einer HU-Kalibrationskurve CT: ein Schnittbildverfahren [1]. Als Grundlage für die klinische Strahlentherapieplanung werden heute in der Regel dreidimensionale Computertomografie (CT) Datensätze verwendet. Die CT-Daten bestehen aus einer räumlichen Dichteverteilung, die für die Berechnung der während einer Strahlentherapie im Körper deponierten Energie unbedingt notwendig sind. Die Hounsfield CT-Skala[1]. [1] WA Kalender. Computed Tomography. Publicis Publishing 2011. Im Rahmen dieses Versuches wird anhand eines Dichte-Phantoms ein Qualitätscheck am klinischen CT-System durchgeführt. Aus den hierbei gewonnenen Daten soll anschließend eine Kalibrationskurve ermittelt werden, die die Konversion der gemessenen CT-Bildwerte in Massendichte ermöglicht. Eine solche Kalibrationskurve ist Voraussetzung für die Erstellung eines realistischen Bestrahlungsplanes (Versuch 2). 6
Modulteil Medizin-Physik Praktische Übungen: Medizin-Physik Versuch 2 Bestrahlungsplanung In diesem zweiten Versuch wird auf der Basis der CT-Daten für ein Phantom, die im vorhergehenden Versuch akquiriert wurden, eine realistische Bestrahlungsplanung vorgenommen. Verschiedene Bestrahlungstechniken sollen softwareunterstützt simuliert werden. Der direkte Vergleich unterschiedlicher Techniken erlaubt es, die Vor- und Nachteile einiger Behandlungskonzepte kennen zu lernen. 1. Stehfeld. In einem ersten Schritt soll die verschriebene Strahlendosis für das im CT-Datensatz definierte Tumorvolumen anhand eines einzelnen Strahlenfeldes appliziert werden. 2. Gegenfelder. Dann soll die Dosis mit Hilfe zweier opponierender Gegenfelder im Tumor appliziert werden. 3. 4-Felder-Technik. In einem weiteren Teilversuch wird die sog. 4-Felder-Box- Technik simuliert. 4. Intensitätsmodulierte Radiotherapie (IMRT). Zuletzt wird ein Bestrahlungsplan in IMRT-Technik erstellt. Strahlentherapie der Prostata in 4-Felder-Technik (links) und IMRT (rechts). Nur die IMRT-Technik erlaubt die Erzeugung konkaver Dosisverteilungen. 7
Modulteil Medizin-Physik Praktische Übungen: Medizin-Physik Versuch 3 Applikation und Dosimetrie von IMRT-Plänen Der dritte medizinphysikalische Versuch beschäftigt sich mit der Applikation und der dosimetrischen Verifikation von IMRT-Bestrahlungsplänen am klinischen Linearbeschleuniger. Der im Rahmen von Versuch 2 erstellte IMRT-Bestrahlungsplan soll nun am klinischen Linearbeschleuniger auf ein Phantom bestrahlt werden. Dieses Phantom bietet zusätzlich die Möglichkeit, einen Detektoreinsatz, der aus einer Matrix einzelner Detektoren besteht, zu integrieren. Mithilfe dieses Detektorarrays werden Dosismessungen durchgeführt, die einen Vergleich der geplanten mit der applizierten Dosis ermöglichen. Eine Auswertung der Messdaten soll die Qualität des abgestrahlten IMRT-Planes in der klinischen Praxis verifizieren. Links: Beschleunigerkopf eines klinischen Elektronenlinearbeschleunigers. Rechts: Phantom mit Detektorarray- Einsatz zur IMRT- Dosisverifikation. PTW Freiburg 8
Modulteil Strahlentherapie Inhalte des strahlentherapeutischen Teils der Ringvorlesung Klinische Strahlentherapie Bedeutung von Krebserkrankungen Einführung in die Prinzipien der Radioonkologie Darstellung der Strahlentherapie von häufigen Krebserkrankungen (Brustkrebs, Prostatakrebs, Lungenkrebs, Kopf-Hals-Tumoren, Hirntumoren) Überblick über neue Forschungsansätze zur Verbesserung der Krebsbehandlung durch biologisch individualisierte und technologisch optimierte Radioonkologie 9
Modulteil Strahlentherapie Praktische Übungen: Strahlentherapie Übungen Fallseminare: Aufbauend auf den Inhalten der Vorlesung werden konkrete Patienten (anonymisiert) aus der Klinik anhand von Untersuchungsergebnissen und Planungsdaten diskutiert. Ziel ist der Übungen ist es, medizinische und physikalische Prinzipien der Radioonkologie anhand von praktischen Beispielen zu vertiefen. Dabei wird auch auf Tumorstrahlenempfindlichkeit, Nebenwirkungen und das therapeutische Verhältnis eingegangen. 10