Technologie der Protonentherapie

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Wie funktioniert Strahlentherapie mit Protonen?

Werden Tumoren mit hochenergetischen Protonen oder anderen Ionen bestrahlt, bietet dies Vorteile gegenüber der Strahlentherapie mit konventionellen, klinisch verfügbaren Strahlenarten wie harte Röntgen- oder Elektronenstrahlung.

Protonen sind schwere geladene Teilchen, die man in elektromagnetischen Feldern beschleunigen kann, und die bei Durchlauf durch Materie abgebremst und sogar ganz angehalten werden können. Wenn sie auf Gewebe treffen, geben sie durch Teilchenstöße schrittweise Energie ab. Dadurch wird im Gewebe eine Strahlendosis appliziert, die kurioserweise erst am Ende des Laufweges der Protonen maximal wird.

Je nach Position eines Tumors kann man daher die Teilchenenergie grundsätzlich so wählen, dass praktisch nur der Tumor die Strahlung abbekommt.

Am Ende des scharfen Maximums fällt die Strahlendosis rasch auf Null. Die seitliche Streuung der Protonenstrahlen ist ohnehin wesentlich geringer als die von Röntgen- oder Elektronenstrahlung, da die Protonenflugbahn bis zu ihrem Ende praktisch geradlinig verläuft.

Bei Verwendung von Protonenstrahlen in der Strahlentherapie wird der Tumor somit effektiv getroffen, und umliegendes gesundes Gewebe bleibt weitgehend geschont.

Tiefendosisverteilung von Protonen

Im Rahmen von regelmäßig wiederkehrenden Konstanzprüfungen am Bestrahlungsplatz wird die Protonendosis in Abhängigkeit von der Eindringtiefe in einem speziellen Wasserphantom gemessen. Das Verhalten der Protonenstrahlen in Weichgewebe ist dem im Wasser sehr ähnlich, so dass die im Wasserphantom gewonnenen Erkenntnisse über die Beschaffenheit des Protonenstrahls dann in einfacher Weise auf die Verhältnisse in Weichgewebe übertragen werden können.

Nach Eintritt in das Wasserphantom werden die Protonen auf ihrem nahezu geradlinigen Weg nach und nach abgebremst und kommen nach einer für ihre Energie charakteristischen Laufstrecke vollständig zum Stehen.

Monoenergetische Protonen, also solche mit einheitlicher Energie, erzeugen hierbei als Dosisantwort eine so genannte Bragg-Kurve mit einer steilen Dosisspitze (Bragg-Peak) am Ende der Laufstrecke. Dieses für monoenergetische Protonen typische Dosisprofil kann allerdings wegen seiner spitz zulaufenden Form noch nicht für eine Therapie verwendet werden.

Damit der Protonenstrahl für die Therapie nutzbar wird, muss man die Dosis entsprechend der Tumorform über einen größeren Tiefenbereich „ausstreichen“, d.h. homogenisieren. Die Kunst, ein Strahlprofil zu formen, wird Modulation genannt.

Prinzip der Strahlmodulation

Zur Formung eines gewünschten Strahlprofils mit vorgegebener maximaler Eindringtiefe (Reichweite) der Protonen und Dosisplateaulänge (Modulationstiefe) geht man von der o.g. Bragg-Kurve für monoenergetische Protonen aus.

Deren Energie ist hierbei entsprechend der therapeutisch erforderlichen Reichweite im Augengewebe vorgegeben. Die Dosis im Bereich vor dem Bragg-Peak wird dann soweit zu einem Plateau „aufgefüllt“, wie dies für die individuelle Behandlung erforderlich ist.

Hierzu wird die Energie eines Teils der Protonen verringert, wodurch diese wiederum eine geringere Reichweite im Augengewebe haben. Um einige der Protonen graduell soweit herunterzubremsen, dass sie einen Teil ihrer Energie schon vor Erreichen des eigentlichen Ziels abgeben müssen, dienen Vorabsorberscheiben unterschiedlicher Dicke.

Protonen mit derart energetischer Vielfalt müssen kontinuierlich durchmischt werden, damit die gewünschte Homogenität im Dosisplateau zustande kommt. Aus praktischen Gründen ordnet man eine Abfolge von Vorabsorberscheiben unterschiedlicher Dicke stufenförmig in einem speziellen Rad an (Modulatorrad), das in schneller Rotation in den Strahlengang eingebracht wird. Auf diese Weise erzeugen die Segmente des Modulatorrads in rascher Folge einzelne, in Reichweite verschobene Bragg-Kurven mit genau festgelegter Intensität, so dass im zeitlichen Mittel die gewünschte Tiefendosisverteilung entsteht. Reichweite und Modulationstiefe werden für jeden Patienten individuell so angepasst, dass der zu bestrahlende Tumor sicher im Plateau der Tiefendosiskurve liegt.

Formung des Bestrahlungsfeldes

Der Protonenstrahl wird für die Therapie so aufbereitet, dass neben der Bestrahlungstiefe auch der Feldrand festgelegt wird.

Außerhalb des Feldes werden die Protonen unter Einsatz metallischer Kollimatoren wirkungsvoll ausgeblendet.

Innerhalb des Feldes werden harte Anforderungen an die Güte des Strahls hinsichtlich Ausrichtung (Parallelität, Zentrierung) und Gleichförmigkeit (Homogenität) gestellt.

Im Rahmen der Qualitätssicherung wird regelmäßig vor der Bestrahlung durch Probemessungen sichergestellt, dass die gewünschte Dosis am Zielort tatsächlich verabreicht wird.

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