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Modernste Technik für ein Partikel-Therapie-Zentrum Eine Partikeltherapie-Anlage wie das Marburger Partikel-Terapie-Zentrum nimmt typischerweise die Größe eines Fußbaldfeldes ein und erstreckt sich über zwei oder drei Etagen. Auf einem Großteil der Fläche des Gebäudes ist die Technik für den Beschleuniger und die Bestrahlung untergebracht. Ein Prototyp für eine Partikeltherapie ist die Beschleuniger-Anlage der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt, an der seit 1997 Patienten im Zusammenarbeit mit dem Universitäts-Klinikum Heidelberg behandelt werden. An der Darmstädter Großforschungseinrichtung wurden über viele Jahre Entwicklungsarbeit und Optimierung für die Partikeltherapie geleistet und das spezielle Rasterscanning-Verfahren entwickelt, das besonders präzise Bestrahlungen ermöglicht. Wie werden die Partikelstrahlen beschleunigt? Erzeugt werden die Partikelstrahlen zunächst in den so genannten Ionen-Quellen. Dort werden die Teilchen aus kleinen Gasflaschen extrahiert (Kohlendioxid für den Kohlenstoffstrahl und Wasserstoff für den Protonenstrahl). Es werden nur sehr geringe Gasmengen für den Beschleuniger benötigt, eine kleine Gasflasche ist für viele Wochen Bestrahlung ausreichend. Das Gas wird in den Ionenquellen - den so genannten ECR-Quellen - in einem starken elektromagnetischen Feld erhitzt und dabei in ein Plasma mit ionisierten Teilchen umgewandelt. Die ionisierten positiv geladenen Partikel werden durch eine Hochspannung (8 kV) abgesaugt und in die Niederenergie-Strahlführung (LEBT) geleitet und dort gefiltert. Zweckmäßigerweise sieht man zwei Quellen vor, eine Quelle für Kohlenstoffstrahlen und eine für Protonen, damit man kurze Umschaltzeiten zwischen den beiden Strahlenarten realisieren kann. Die weitere Beschleunigung von Ionen und Protonen erfolgt in zwei Stufen mittels eines Linearbeschleunigers (LINAC) und eines nachgeschalteten Synchrotrons. In beiden Beschleunigern werden die Teilchen durch hochintensive Mikrowelle beschleunigt. Die Mikrowelle wird dabei mit einem sehr präzisen Timing in die Vakuumröhren, die die Teilchen durchlaufen, eingespeist. Der Linearbeschleuniger wird von den Ionen nur einmal geradlinig durchlaufen, dabei erreichen sie ungefähr 12 % der Lichtgeschwindigkeit (7 MeV/u). Das nachgeschaltete Synchrotron ist ein Kreisbeschleuniger, den die Ionen mehrere tausend mal durchlaufen und dabei durch die eingespeiste Mirkowelle bei jedem Umlauf etwas zusätzlich beschleunigt werden. Die Führung der Ionen auf der Kreisbahn wird durch starke Magnetfelder von tonnenschweren Elektromagneten erreicht. In dem Synchrotron der Marburger-Anlage werden ca. 70 % Lichtgeschwindigkeit (430 MeV/u) erzielt. Partikelbeschleuniger für die Strahlentherapie: 3D-Ansicht des Marburger Beschleunigers mit den Ionen-Quellen (rechts "Sources" und "LEBT"), daran anschließend der Linearbeschleuniger (LINAC) und die Verbindungs- und Selektionsstrecke (MEBT) zum Einschuss in den Ringbeschleuniger (Synchrotron). Aus dem Synchrotron wird der Strahl extrahiert und über die Hochenergiestrahlführung (HEBT) wahlweise in einen der vier Bestrahlungsplätze extrahiert, wobei bei dem 4. Platz der Strahl von schräg oben (45°) eingeschossen wird. Hauptbestandteile des Beschleunigers sind die Magnete (hier modellhaft die türkisen und roten Boxen), die den Strahl auf der Bahn halten und die Vakuumrohre, in denen der Partikelstrahl fliegt.
Variabler Beschleuniger Ein besonderer Aspekt der Beschleunigeranlagen, die für die moderne Partikeltherapie eingesetzt werden, ist die Variabilität: Innerhalb von Sekunden kann der Beschleuniger seine Energie ändern (und damit eine andere Eindringtiefe der Partikelstrahlen erzielen) oder seine Strahlintensität oder Strahlbreite variieren. Dies ist ein wichtige Voraussetzung für die Durchführung des Rasterscan-Verfahrens (siehe unten).
Das Rasterscan-Verfahren Über das sogenannte Rasterscan-Verfahren können die genannten Vorteile der Partikelstrahlen besonders wirksam umgesetzt werden. Da die Partikel im Strahl elektrisch geladen sind, können sie - ähnlich wie die Elektonen in einer Fernsehröhre - durch Magneten schnell abgelenkt werden und dabei ein definiertes "Dosis-Bild" erzeugen und so eine besonders gute Anpassung der Dosisverteilung an das Tumorvolumen erzielen. Das Verfahren funktioniert wie folgt: Beim Rasterscan-Verfahren wird das Zielvolumen in eine Reihe von hintereinander liegenden Schichten aufgeteilt. Jede Schicht wird mit dicht beieinander liegenden Strahlpositionen besetzt, die mit einem meanderförmigen Weg verbunden werden. Beginnend mit der zu hinterst gelegenen Schicht (größte Tiefe), wird mit den beiden Dipolmagneten der Strahl (ähnlich wie bei einer Fernsehröhre) über diesen Weg geführt. Die Ablaufsteuerung des Rasterscan-Systems regelt dabei die Schreibgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der aktuell gelieferten Teilchenintensität, so dass auf jeder Strahlposition die von der Bestrahlungsplanung vorgegebene Dosis erzielt wird. Die Strahlpositionen liegen so dicht nebeneinander, dass es nicht nötig ist, den Strahl an- und abzuschalten, wenn er von einer zur nächten Strahlposition wechselt. Dadurch, dass der Strahl intensitätskontrolliert von einer zur nächsten Position geführt wird, können auch Intensitäts-Fluktuationen des Beschleunigers kompensiert werden. Nachdem alle Strahlpositionen einer Schicht abgearbeitet sind, wird der Strahl unterbrochen und innerhalb von 1-2 Sekunden mit der vorgesehenen Energie für die nächste Schicht bereitgestellt. Die schematische Abbildung unten verdeutlicht das Raster-Scan-Verfahren. Die einzelnen Flächen, die beim Raster-Scanning-Verfahren nacheinander bestrahlt werden, haben meist eine unregelmäßige Form. Die Fläche wird mit einem Raster von Strahlpositionen gefüllt, die mit einem meanderförmigen Weg verbunden werden.Die einzelnen Positionen werden mit der vordefinierten Intensität bestrahlt. In der Darstellung rechts ist die Fläche des Punktes proportional zu der Intensität, mit der diese Strahlposition bestrahl werden soll. Erst in der Überlagerung aller Flächen ergibt sich die gewünschte homogene Dosis. Dieses bei der GSI entwickelte Bestrahlungsverfahren stellt eine Schlüsseltechnologie zur optimalen medizinischen Nutzung der Protonen- und Ionenstrahlen dar.
Exakte Positionierung des Patienten (Image Guided Therapy) Die Partikeltherapie (insbesondere bei Verwendung von Kohlenstoffstrahlen) ermöglicht es, räumlich sehr genau die benötigte Dosis, also den Hochdosisbereich abzugrenzen. Dies funktioniert jedoch nur zusammen mit einer präzisen Lagerung des Patienten. Entscheidend für den Therapieerfolg ist deswegen auch eine stabile reproduzierbare Lagerung während der Behandlung. Das heißt, dass der Patient bei den sich wiederholenden Bestrahlungen (z.B. 20 Bestrahlungstermine, auch Fraktionen genannt) immer wieder gleich gelagert werden muss. Dazu wird für jeden Patienten individuell eine Lagerungshilfe vorbereitet, die mit dem Patiententisch präzise verbunden wird. In Abhängigkeit von der Art der Behandlung wird dazu z.B. eine Vakuummatratze oder eine Maske an den Patienten angepasst, in die er bei der Behandlung eingebettet wird. Zusätzlich wird in der Partikeltherapie meistens auch die Positionierung durch eine Röntgenbildgebung oder durch eine CT-Aufnahme verifiziert. Erst wenn eine millimetergenaue Übereinstimmung mit der Planung erreicht ist, kann die Behandlung beginnen. Dieses Verfahren wird auch (Image Guided Radio-Therapy = bildgeführte Strahlentherapie) genannt. Durch die Kombination von individuellen Lagerungshilfen und Röntgenbildgebung erreicht man z.B. bei Bestrahlungen im Kopfhals-Bereich eine Positioniergenauigkeit vom besser als 1 mm. Der Lagerungstisch kann in der Strahlentherapie in Normalfall in 3 Raumrichtungen bewegt und meist um 2-3 Achsen rotiert werden. Für die Marburger Partikeltherapie-Anlage wird der Patiententisch präzise mit einem Roboter bewegt (siehe Bild unten). Dieses innovative Konzept ermöglicht ein Maximum an Flexibilität.
Sichere Bestrahlung Das Kontroll- und Steuersystem für die Partikeltherapie muss höchsten Sicherheitsstandards genügen. So werden die Position und Intensität des Strahles kontinuierlich gemessen. Bei einer Abweichung von den Sollwerten wird die Bestrahlung innerhalb von Bruchteilen einer Sekunde abgebrochen. Damit reagiert das System schneller als ein Mensch mit seiner sprichwörtlichen Schrecksekunde. Alle Komponenten, die in der Partikeltherapie für den routinemäßgien klinischen Gebrauch vorgesehen werden, unterliegen dem Medizinproduktegesetz (Medizinprodukt der Klasse IIb). Dies umfasst eine strenge Überwachung des Entwicklungs- und Herstellungsprozesses der Technik.
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