technische universität dortmund
Zentrum für Synchrotronstrahlung DELTA
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Riezlern, Riezlern, 9.9.-13. Mä März 2009
Strahlentherapie und die Rolle der Beschleuniger Radiation Therapy and the Task of Accelerators Thomas Weis Fakultät für Physik / DELTA Beschleuniger in der Strahlentherapie
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aus: Vorlesung SS 2008
w B e ww nu .de tz lta er .u na n m i-d e/ o r Pa tm ss u w nd or .d t: e/ stu ~ d e we nt is /m ed ph
Prof. Dr. Thomas Weis Fachbereich Physik und Dortmunder Zentrum für Synchrotronstrahlung
ys ik
Einführung in die Medizinphysik
MRT/Fa. Philips Beschleuniger in der Strahlentherapie
Supraleitendes Protonen-Zyklotron/Fa. ACCEL
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• Einleitung • Energie-Deposition durch Photonen - Wechselwirkung - Technik • Energie-Deposition durch Teilchen - Wechselwirkung - Technik • Zusammenfassung
HIT: Heavy Ion Therapy Facility Bestrahlung: Protonen – Kohlenstoff E bis 430 MeV/amu DKFZ und Uniklinik/Heidelberg GSI, Darmstadt Beschleuniger in der Strahlentherapie
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Einleitung Teletherapie Bestrahlung aus äußeren Quellen mit gerichtetem und kollimiertem Strahl Brachytherapie Applikation von radioaktiven Präparaten direkt im Körper 125I-Applikation
Zur besseren Dosisapplikation auch von mehreren Seiten Beschleuniger in der Strahlentherapie
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Beschleuniger in der Strahlentherapie
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Photonen-Primärprozesse
I = I0e
− µd
µ = µ Streuung + µ Absorption
Schwächungsgesetz
Photoeffekt
ComptonStreuung
Beschleuniger in der Strahlentherapie
Paarbildung
Thomson: elastische Streuung von Photonen an gebundenen Elektronen Rayleigh: kohärente Streuung eines Photons am gesamten Atom 6
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Energieabsorption von Photonen / Profil der Tiefendosis zur Erinnerung: D = Strahlendosis = absorbierte Energie/Masse SI-Einheit 1 Gray = 1 Gy = 1 J/kg Beschleunigerbasierte Röntgenquellen mit Beschleunigungsspannungen 6 und 15 MV
Cobalt 60-Röntgenquelle Eγ = 1,2 – 1,3 MeV Röntgenquelle 200 kV
Beschleuniger in der Strahlentherapie
Strahlentherapie: 100 kV (Haut und oberflächennah) – 25 MV Beschleuniger
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Massenabschwächungskoeffizient Abschwächungskoeffizient µ/ρ für Wasser (ungefähr Gewebeäquivalent) im wesentlichen 3 Beiträge zur Energieabsorption (die elastische Streuung spielt keine Rolle): • Photoeffekt • Comptoneffekt (dominierend) • Paarbildung
für Teletherapie interessanter Bereich 100 keV – 25 MeV Beschleuniger in der Strahlentherapie
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Compton-Effekt elastischer Stoß eines Photons mit einem Elektron
Eγ′ =
Eγ Eγ 1 + 2 (1 − cos θ ) mc
mc 2 = 511keV Eγ ≫ mc 2 mc 2 Eγ′ (min) = 2
Beschleuniger in der Strahlentherapie
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Differentieller Wirkungsquerschnitt / Compton-Streuung nach Klein und Nishina dσ dθ
Eγ
Beschleuniger in der Strahlentherapie
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Totaler Wirkungsquerschnitt / Compton-Streuung Energieübertrag auf das Elektron totaler Wirkungsquerschnitt für Comptonstreuung
σ tr = σ ges ⋅ EElektron E
γ
Beschleuniger in der Strahlentherapie
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Aufbaueffekt der Dosis • Bei der Therapie mit Photonen dominiert Comptoneffekt • Energieübertrag auf das Gewebe geschieht durch die Elektronen an Orten, die weiter im Innern des Gewebes liegen (Aufbaueffekt)
Hautoberfläche Beschleuniger in der Strahlentherapie
Gewebe / Organ
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Tiefendosis (%)
Tiefenprofil
Aufbaueffekt bei höheren Photonenenergien
200 kV
Tiefe in Wasser (cm) Berechnung mit „Monte Carlo“-Methoden Beschleuniger in der Strahlentherapie
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Strahlentherapie mit Photonen / Technik a ) Konventionelle Röntgentherapie
Quelle: Salk, Birkner Universitätsklinikum Ulm
• Oberflächentherapie 10 - 50 kV • Halbtiefentherapie 60 und 150 kV • Tiefentherapie (Orthovolttherapie) bis ca. 300 kV
Tiefendosisprofile für kleine Energien Beschleuniger in der Strahlentherapie
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Konventionelle Röntgentherapie vor etwa 1950 einzige Teletherapie Nachteile: - zu geringe Eindringtiefe - ungünstiges Dosisprofil - nur oberflächennahe Anwendungen
Beispiel: RT 100 Philips
Beschleuniger in der Strahlentherapie
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b ) Telekobalt-Therapie
Quelle: Salk, Birkner, Universitätsklinikum Ulm Beschleuniger in der Strahlentherapie
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Telekobalt-Therapie • größte Verbreitung 1950 – 1970 Ersatz für 137Cs-Quellen • Vorteil: hohe γ-Energie, Dosisprofil mit Aufbaueffekt und großer Tiefe • bis zu 300 TBq = 8100 kCi in einem Volumen von etwa 5 cm3.
Gammatron S Fa. Siemens
Bestrahlungskopf mit Abschirmung und Verschluss Beschleuniger in der Strahlentherapie
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c) Betatron
• med. Anwendung ab 1948
Betatron Donald William Kerst (1940) Univ. of Illinois
20 MeV 2.3 MeV nach Ideen und ersten Tests von Rolf Wideroe (1928) Beschleuniger in der Strahlentherapie
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Elektrisches Wirbelfeld erzeugt durch R ɺ Induktion:
E =
2
B
Impuls p folgt ansteigendem Magnetfeld
1 ɺ eRB 2
p=
1 eRB 2
Bahnradius R ist konstant
R=
p eBF
pɺ = eE =
Wideroe-Bedingung:
1 BF = B 2
B(r)
Beispiel: R = 20 cm, BF = 1 Tesla. Wegen v ~ c gilt hier E = pc und daher Ekin = ecRBF = 60 MeV
Strahl
25 – 45 MeV typisch für medizinischen Anwendungen
r Beschleuniger in der Strahlentherapie
R
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Das 42 MeV-Betatron der Universität Freiburg 15 MeV Betatron 1956 / Fa. Siemens In der modernen Strahlentherapie durch Linearbeschleuniger verdrängt. Gründe: einfachere Ausführung und Wartung, kostengünstiger, höhere Dosisleistungen Beschleuniger in der Strahlentherapie
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d) Elektronen-Linearbeschleuniger
Beschleuniger in der Strahlentherapie
• ab etwa 1960 Ersatz der Betatrons durch Linearbeschleuniger = LINACS
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Elektronen-Linearbeschleuniger
Beschleuniger in der Strahlentherapie
• Elektronen-Linearbeschleuniger bis 25 MeV • Photonen durch Bremsstrahlung
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Elektronen-Linearbeschleuniger / Technik • Methode der Hochfrequenz-Teilchenbeschleunigung
Ansatz: zylindrischer Hohlleiter
• Erzeugung einer elektromagnetischen Welle mit einer Ausbreitungsgeschwindigkeit (Phasengeschwindigkeit), die der Elektronengeschwindigkeit v ~ c entspricht, • verbunden mit einer longitudinalen elektrischen Feldkomponente, die das Elektron quasi „begleitet“ und dauernd für eine Beschleunigung sorgt („SurferPrinzip“)
Ez
Elektronenbunch Beschleuniger in der Strahlentherapie
Probleme: 1. Phasengeschwindigkeit > c 2. elektrische Komponente senkrecht zur Ausbreitungsrichtung 23
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Elektronen-Linearbeschleuniger / Technik Lösung: • Einbau von Blenden. • Wanderwelle aus einem Magnetron oder Klystron • E > 10 MV/m • Magnetrons: 2,5 – 3 MW Klystrons: bis 7 MW • Pulsdauer: ~ einige µs Wiederholrate: einige Hz
Dimensionen: Durchmesser ~ 10 cm Länge ~ 1 – 2 m Frequenz: 3 GHz
• sehr effiziente HF-Erzeugung, Wirkungsgrade η > 50% Beschleuniger in der Strahlentherapie
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Dosisapplikation bei der Bestrahlung / Einzelfeld-Bestrahlung Gesamte (Soll-)Dosis im Referenz-Punkt durch ein Feld • Dosis im Referenzpunkt = 100% • Dosismaximum (ca. 160 %) • inhomogene Dosis im gesamten Behandlungsfeld min.: ca. 96 % max.: ca. 129 % Quelle: Salk, Birkner Universitätsklinikum Ulm
PTV = planning target volume Beschleuniger in der Strahlentherapie
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Dosisapplikation bei der Bestrahlung / Gegenfeldbestrahlung Dosisverlauf entlang Zentralstrahl
Beschleuniger in der Strahlentherapie
Quelle: Salk, Birkner Universitätsklinikum Ulm
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Dosisapplikation bei der Bestrahlung / Gegenfeldbestrahlung • Gewichtung: 50% : 50% • Dosismaximum ca. 109 % • Homogene Dosis im PTV • Großes „Treated Volume“ min.: ca. 96 % max.: ca. 104 %
Quelle: Salk, Birkner Universitätsklinikum Ulm
PTV = planning target volume Beschleuniger in der Strahlentherapie
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Dosisapplikation bei der Bestrahlung / Mehrfelderbestrahlung • Gewichtung: 25% : 25% : 25% : 25% • Dosismaximum ca. 102 % • Homogene Dosis im PTV • „Treated Volume“ ~ PTV Min.: ca. 96 % Max.: ca. 102 % im Tumorgewebe !
Quelle: Salk, Birkner Universitätsklinikum Ulm
PTV = planning target volume Beschleuniger in der Strahlentherapie
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3D-Dosismodellierung bei der Bestrahlung
• Modellierung des Strahlungsfeldes mit Multileaf-Kollimatoren (MLC) aus Wolfram-Blöcken
Beschleuniger in der Strahlentherapie
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Energiedeposition durch Teilchen / Technik a) Elektronen • Verwendung des Primärstrahls von Elektronen-Linearbeschleunigern. • Energieverlust der Elektronen durch Stöße und Bremsstrahlung. • Anwendungen für Oberflächenbestrahlung und zur Behandlung von oberflächennahen Tumoren.
Quelle: Salk, Birkner Universitätsklinikum Ulm
Tiefendosisverteilung für Elektronen Beschleuniger in der Strahlentherapie
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b) Neutronen • Erzeugung schneller MeV-Neutronen durch Beschuss von Lithium (Li) oder Beryllium (Be)-Targets mit hochenergetischen Protonen oder Deuteronen über (p.n)-Reaktionen. Beispiel: p + 9 Be → 9 B + n 4
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• Erzeugung thermischer Neutronen in Spaltreaktoren mit anschließender Moderation • Neutronen wechselwirken nur durch Kernstöße oder Absorption. σ abs ∝ 1 En Absorptionsquerschnitt hängt von Neutronenenergie ab.
Wechselwirkungsquerschnitte für thermische Neutronen (kT ~ 1/40 eV).
1barn = 1b = 10−24 cm 2 Beschleuniger in der Strahlentherapie
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Strahlentherapie mit schnellen Neutronen Sehr hohe biologische Wirksamkeit in sauerstoffarmem Gewebe
Neutronen aus (p,n)-Reaktion 66 MeV p auf Be SOBP = spread out Bragg peak Beschleuniger in der Strahlentherapie
Quelle: iThemba-Labs, Südafrika
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Strahlentherapie mit thermischen Neutronen • Moderne, zukunftsweisende Therapieform in Forschungsphase. Anreicherung eines Isotops mit hohem Einfangquerschnitt für thermische Neutronen im Tumor. • Bestrahlung mit thermischen Neutronen und Energiedeposition nur am Zielort. • An Forschungsreaktoren • Problem ist die selektive Anreicherung im Tumor. • Beispiel: BNCT, Boron neutron capture therapy 10 5
B + n → 37 Li + 24 He
Anwendungen: Glioblastom (Hirntumor) mit schneller Ausbreitung > 15.000 Menschen/ a in Europa Beschleuniger in der Strahlentherapie
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c) geladene Hadronen (Protonen, Alphateilchen, leichte (schwere) Ionen..) • Primär: Coulomb-Wechselwirkung mit Elektronen im Gewebe. • Sekundär: γ−Photonen, Elektronen, Neutronen • Beschreibung des linearen Energieverlusts durch Bethe-Bloch:
mit
2 2 2 2 dE z n 2 mc β γ 2 2 2 − = 4π re mc ⋅ 2 ⋅ ln −β dx β I
re = 2,8 ⋅10−15 m klass. Elektronenradius
mc 2 = Ruheenergie des Elektrons
z = Ladung des Projektils
n = Elektronendichte des Materials
I = mittleres Ionsierungspotential ~ Z ⋅13.5eV Z = Ordnungszahl des Materials
β , γ = relativistische Konstanten
Beschleuniger in der Strahlentherapie
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Bethe-Bloch für v
