Protonentherapie: Design halbiert Anlagengröße

3. Juni 2014
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Für die moderne Krebstherapie mit geladenen Teilchen wie z. B. Protonen könnten in Zukunft Laserbeschleuniger eingesetzt werden. Dazu müssen diese Anlagen aber deutlich kleiner und günstiger als konventionelle werden. Forscher erarbeiteten ein Design mit halbierter Anlagengröße.

Die Protonentherapie ist im Kampf gegen Krebs besonders präzise, zugleich schädigt sie gesundes Gewebe weniger als die etablierte Strahlentherapie mit harter Röntgenstrahlung. Eine Anlage für die Bestrahlung mit Protonen besteht heute aus einem Ringbeschleuniger und einer riesigen, um 360 Grad drehbaren Stahlkonstruktion (Gantry). Dazwischen fliegen die Protonen durch ein langes Strahlrohr (Beamline), wo schwere Elektromagneten sie auf ihrer Bahn halten.

Nur zwei deutsche Universitäten bieten derzeit die Protonentherapie an. Die Gründe erläutert Professor Michael Baumann, Direktor der neuen Universitäts-Protonentherapie Dresden und des OncoRay – Nationales Zentrum für Strahlenforschung in der Onkologie: „Zum einen muss die Therapie mit Protonenstrahlen noch für unterschiedliche Krebserkrankungen genau erforscht werden; sie könnte bei 15 bis 20 Prozent deutliche Vorteile gegenüber der etablierten Strahlentherapie haben. Zum anderen sind die dafür benötigten Anlagen sehr groß und teuer. Diese Therapieform wird sich deshalb umso besser durchsetzen, je kompakter und günstiger die zur Verfügung stehenden Geräte sind.“

Dafür ist es notwendig, die drei Hauptkomponenten Beschleuniger, Strahlrohr und Gantry zu schrumpfen – und das gelang dem Doktoranden Umar Masood in einer Designstudie. Er ersetzte zunächst den herkömmlichen Ringbeschleuniger durch einen neuartigen Laserbeschleuniger, bei dem die Strecke, auf der die Teilchen auf hohe Energien beschleunigt werden, nur einige Millimeter beträgt. Erstmalig konnte er aber auch die auf den Beschleuniger folgenden Komponenten deutlich verkleinern.

„Wir müssen in den nächsten Jahren alle Komponenten komplett neu entwickeln“, erläutert Umar Masood. „Das liegt daran, dass von einem Laser produzierte Teilchenstrahlen andere Eigenschaften besitzen als die aus einem Ringbeschleuniger. Sie weisen eine viel größere Energieverteilung bzw. Bandbreite auf“, so Masood. Auf den ersten Blick ein erheblicher Nachteil. Die gängige Bestrahlungsmethodik basiert darauf, dass eine Geschwulst mit einem bleistiftförmigen Strahl mit engem Energiefenster Punkt für Punkt abgerastert wird, beginnend mit einer höheren Energie, die nach und nach abgesenkt wird. So wird im Volumen des Tumors präzise jede Stelle mit dem Protonenstrahl erreicht. Da dieser den Großteil seiner Energie immer erst am Ende des zurückgelegten Wegs abgibt, bleibt das hinter dem Tumor liegende, gesunde Gewebe von möglichen Strahlenschäden verschont.

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Die Krebsforscher in Dresden wollen die Anlage für die neuartige Protonentherapie gegen Krebs um mehr als die Hälfte verkleinern – und damit auch die Kosten reduzieren. Schema: Umar Masood, HZDR

Mehr Tumorvolumen in kürzerer Zeit

Bei der Bestrahlung mit laserbeschleunigten Protonen muss wegen des breiten Energiefensters ein großer Teil der Protonen aus dem Strahl entfernt werden, um ein vergleichbar enges Energiefenster zu erreichen. Damit sinkt die Effektivität. Umar Masood hat jedoch eine Lösung für dieses Dilemma: Er nutzt nicht nur die breitere Energieverteilung, sondern auch den natürlich größeren Durchmesser des Protonenstrahls, der somit seine Dosis in einem größeren Volumen abgibt. Damit werden in einer identischen Zeiteinheit viel mehr Krebszellen gleichzeitig bestrahlt. Für die Berechnung der Dosisabgabe bei der Behandlungsplanung wird von der TU München eine spezielle Software entwickelt.

Eine weitere Eigenschaft der laserbeschleunigten Protonen liegt darin, dass es sich nicht um einen kontinuierlichen Teilchenstrahl, sondern um einzelne Teilchenpakete bzw. -pulse handelt. Für gepulste Strahlen können stärkere Magnete für die Strahlführung vom Beschleuniger zum Patienten eingesetzt werden – eine wichtige Voraussetzung, um das Strahlrohr, vor allem aber die Gantry zu verkleinern. In Dresden setzt man auf gepulste Magnete.

Kurshalten mit gepulsten Magneten

Umar Masood musste unterschiedlichste Varianten testen, um die Strahlführung für laserbeschleunigte Protonenstrahlen überhaupt konzipieren zu können. Eine Magnetspule formt zunächst die durch das intensive Laserlicht direkt in der Gantry beschleunigten Protonen zu einem Strahl. Dann lenkt ein sogenannter Dipolmagnet den Strahl um eine 90-Grad-Kurve und sorgt auch gleich dafür, dass aus dem breiten Energiefenster die nicht benötigten Protonen abgeschnitten werden. Mehrere Quadrupol genannte Magnete, die ebenfalls immer nur für rund 100 Millisekunden eingeschaltet werden, halten den Strahl auf Kurs. Dies ist bei einem gepulsten Strahl mit einer breiten Energieverteilung durchaus trickreich, denn es sind dabei immerhin sechs Dimensionen zu berücksichtigen. Ein zweiter Dipolmagnet lenkt den Strahl entgegen der ursprünglichen Beschleunigungsrichtung ab und hin zur in der Gantry-Mitte befindlichen Patientenliege.

Obwohl nun erstmals eine komplette Anlage auf der Basis eines Laserbeschleunigers modelliert wurde, sind bis zu deren Verwirklichung noch viele Hürden zu nehmen. So müssen die verschiedenen gepulsten Magnete entwickelt und getestet werden. Auch reichen die Energien der laserbeschleunigten Protonen derzeit noch nicht aus, um Tumore tief im Patientenkörper zu treffen. Deshalb erfährt der im HZDR (Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf) vorhandene DRACO-Laser derzeit einen Upgrade und erhält zudem eine größere Schwester: PENELOPE, die mit einer Leistung von einem Petawatt zu den weltweit stärksten Lasern gehören wird. „Nach rund fünf Jahren intensiver Forschung an DRACO gehen wir heute davon aus, dass wir die nötigen Parameter für die Patientenbestrahlung erreichen können“, ist Professor Ulrich Schramm, Institutsdirektor und Leiter der Abteilung Laser-Teilchenbeschleunigung am HZDR, überzeugt.

Originalpublikation:

A compact solution for ion beam therapy with laser accelerated protons
Umar Masood et al.; Applied Physics B, Lasers and Optics, doi: 10.1007/s00340-014-5796-z; 2014

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