ERFAHRUNGSBERICHT ELFTER MONAT KLINISCHER BETRIEB RPTC, FEBRUAR ´10

PROTONEN-SCANNING – DIE VORTEILE DIESER NEUEN OPTIMIERTEN BESTRAHLUNGSFORM FÜR DEN PATIENTEN

DAS RINECKER PROTON THERAPY CENTER ENTWICKELT SICH ZUR WELTWEITEN NR. 1 DES PROTONEN-SCANNINGS

Nach der klinischen Inbetriebnahme des zweiten unserer in Zukunft fünf Therapieplätze am RPTC hat sich unsere Behandlungskapazität im Zeit-Teilbetrieb bereits auf 40-60 Patienten pro Tag erhöht. Damit bestrahlt das RPTC mehr als jede andere Institution weltweit Patienten mit dem optimalen Scanning-Verfahren.

Die ersten Zentren für die Ionenbestrahlung, ob Protonen oder andere Partikel, verwenden das heute überholte sogenannten Scattering-Verfahren, das unten erläutert wird (Loma Linda University bei Los Angeles ab 1991, Massachusetts General Hospital der Harvard University in Boston ab 2001. Einige Institutionen setzen partielle Scanning-Verfahren ein (das Paul Scherrer Institut bei Zürich mit mechanischem Patientenvorschub, das Bloomington Center bei Philadelphia mit magnetischer Strahlschwenkung, aber strahlformenden Schablonen, das Heidelberger Ionentherapie Zentrum ab 2010 bei Feststrahl-Installationen). Die Protonen-Scanning-Technologie in Reinform wurde Mai 2008 erstmals am MD Anderson Cancer Center in Houston eingeführt, allerdings nur an einem Therapieplatz und mit einem im Vergleich zum RPTC unpräziseren, weil breiter streuenden Strahl.

Das RPTC in München ist weltweit die erste Anlage, die in allen vier voll beweglichen Therapieplätzen (Gantries) für Scanning ausgelegt und optimiert ist. Alle derzeit geplanten oder im Bau stehenden Protonen-Bestrahlungsanlagen weltweit sollen in Zukunft die Scanning-Technik nutzen.

PROTONEN-SCANNING EXTREM: BEHANDLUNG EINES VIER LITER TUMORS

Das RPTC wurde eingerichtet, um die erprobte Form der Ionentherapie mit Protonen in die Gesundheitsfürsorge für alle bisher mit Röntgen bestrahlten Tumoren einzuführen. Dementsprechend auch die amtliche klinische Betriebsgenehmigung für dieses Center. Es ist die überlegene Bestrahlungstechnologie, was auch zu einem Zulauf extremer, oft schon mit Röntgen vorbehandelnder und letztlich aufgegebener Fälle in München führt.

Protonentherapie eines Kreuzbeinsarkoms mit extremen Tumorvolumen.
Ende 2009 haben wir am RPTC erstmals einen Patienten mit einem außergewöhnlich großen Tumor im Beckenbereich behandelt. Der Patient litt an einem Kreuzbeinsarkom, welches eine Ausdehnung von fast 4 Litern erreicht hatte. Nur mit der Protonentherapie im Scanningverfahren am RPTC konnte eine Dosisverteilung erreicht werden, welche den Tumor hoch belastet und gleichzeitig die Hüftgelenke sowie den Darmbereich nahezu vollständig von Dosis freihält (Abbildung 1). Die Therapieplanung, das heißt die computergestützte Berechnung der Protonenstrahl-Energien und -Dosen für jeden einzelnen Punkt (Voxel) des Tumors führte in diesem Fall bei 3,8 Liter (!) Tumorvolumen bei einer Einstrahlrichtung zu über 16.000 einzelnen Scanningspots, aufgeteilt in 36 Tiefenschichten. Die computergenerierten Scanning-Abtastmuster für jede Tiefenschicht weisen die typischen mäanderförmigen Strukturen auf (Abbildung 2).

WAS BEDEUTET PROTONEN-SCANNING IM VERGLEICH ZU SCATTERING?

Am historischen Beginn der Protonenbestrahlung wurde das sogenannte Scattering-Verfahren eingesetzt: to scatter = streuen. Bei allen Partikelbestrahlungsmethoden wird der Strahl in der Strahlenquelle immer in Bleistiftdicke erzeugt. Mit diesem Durchmesser muss er auch zum Patienten transportiert werden; fliegen die Protonen doch nur im luftleeren Raum, in Röhren geführt (am RPTC bis zu 92 m weit). Die klinische Praxis bei Behandlung ausgedehnter Tumore erfordert es aber, mit Strahlenfeldern großer Ausdehnung zu therapieren, die größten Felder erreicht das RPTC mit 40 x 30 cm.

SCATTERING

Beim früheren Scattering-Verfahren, daher der Name, wird der Strahl zunächst auf derartige Feldgrößen aufgestreut.

Streufilter. Elegant wäre es, dies mit einer magnetischen Streulinse (ähnlich einer Weitsichtigen-Brille) zu erzielen. Dies würde aber zu einer im Querschnitt bergartigen Intensitätsverteilung des Strahls führen (Gauss-Verteilung). Deshalb werden beim Scattering-Verfahren je nach Feldgröße ein oder zwei Streuscheiben z. B. aus Plexiglas in den Strahl eingebracht. Das führt zu einer gleichmäßigen Streuung über einen nun kreisförmig weiten Strahlquerschnitt, der zur Abdeckung auch größerer Tumore geeignet ist.

Dreidimensionale Schablonen. Dieser Strahlenkegel muss nun wieder begrenzt werden, eingeengt auf die Silhouette des Tumors für jede der benutzten Einstrahlrichtungen. Man setzt dafür ein ähnliches Verfahren wie bei Röntgen ein, nämlich Schablonen mit einem Ausschnitt, der der Tumorsilhouette entspricht. Bei neueren Röntgenapparaturen geschieht das durch elektromechanisches Verschieben von Metallblättern, die dann wie ein seitlich verschobener Kartenstapel in etwa die Tumorkontur wiedergeben. Bei Protonen ist wegen der großen Durchschlagskraft dies nicht praktikabel, eine Metallschablone muss für jede Strahlrichtung eigens angefertigt werden, d. h. Metall wird gefräst. Partikelbestrahlung hat gegenüber Röntgen aber den Vorteil, dass sie auch in der dritten Dimension, in Strahlrichtung zielbar ist (siehe Monatsbericht April 2009). Dies geschieht dadurch, dass wiederum für jede Strahlrichtung beim Scattering-Verfahren in die Ringschablone eine Innenschablone aus Plastik eingepasst wird, die individuell so gefräst wurde, dass ihre jeweilige Tiefe der hinteren Kontur des Tumors angepasst ist. Damit wird der Bragg-Peak, also das Wirkungsmaximum des Partikelstrahls, durch vorlaufende Bremsung der Partikel in dem Kontourkörper auf eine Schicht justiert, die dem hinteren Tumorumfang geometrisch entspricht.

Tiefeneinstellung. Das heißt, wir haben jetzt eine ausgewählte, die hintere Zirkumferenz des Tumors deckende Schicht der maximalen Strahlenwirkung, des Bragg-Peaks. Um diese aber nach vorne über den Tumor zu verteilen, muss diese Schicht (Abbildung 3) strahlwegverkürzend über den Tumor hinweggestrichen werden. Dies wird durch einen weiteren Brems-Filter bewirkt, meist ein Rad („Flywheel“), das verschiedene Plexiglasdicken in verschiedenen Segmenten aufweist. Es rotiert quer zum Strahl, verlangsamt diesen je nach der durchstrahlten Scheibendicke und wischt praktisch das Wirkungsmaximum in der dritten Dimension nach vorne über den Tumor hinweg.

Die Nachteile des Scattering-Verfahrens. Dieses Scattering-Verfahren, so kompliziert es klingt und mechanisch auch ist – es war für die Hersteller zunächst einfach zu beherrschen. Allerdings weist es eine Menge Nachteile für den Patienten auf. Dennoch lassen sich mit dem Scattering-Verfahren Dosisverteilungen erzielen, die gegenüber Röntgen weit überlegen sind, konkurrenzfähig gegen Scanning ist das Verfahren heute jedoch bei größeren Tumoren nicht mehr:

• Die genannten Schablonen müssen nicht nur für jeden Patienten, jeden Tumor, sondern für jede Strahlrichtung angefertigt und während der Bestrahlung ausgetauscht werden. Die Anfertigung der 3D-Schablonen geschieht in computergesteuerten Fräsvorgängen, die als Basis die CT-Bilder des Tumors verwenden. Ein zusätzlicher Aufwand. Die Flywheels werden in der Regel einem Lager mehr oder minder genau passender Exemplare entnommen. Der Austausch jedoch ist es, der in aller Regel eine Rückdrehung der beweglichen Gantries in die Nullposition zum neuen Beladen verlangt, was die Aufenthaltszeit des Patienten ungebührlich verlängert – und insgesamt die Tendenz auslöst, mit weniger verschiedenen Strahlrichtungen suboptimal zu behandeln. 

• Die Streufilter im hohen Maße, aber auch die 3D-Schablonen und die Flywheels stellen sich alle den mit Höchstgeschwindigkeit (bis zu 180.000 km/sec) heranfliegenden Partikeln in den Weg. Wenn diese Materie durchqueren, werden sie nicht nur von den Elektronenhüllen der Atome gestreut und verlangsamt, sondern treffen – wenn auch selten – Atomkerne, aus denen sie Neutronen herausschlagen. Dadurch entsteht eine Neutronenstrahlung, die sich nicht nur kugelförmig, sondern zu einem guten Teil in Richtung des Patienten ausbreitet. Nun wird kalkuliert, dass diese Neutronendosis auf die verschiedenen gesunden Gewebe des Patienten insgesamt nur etwa 0,5 % der  Tumordosis beträgt. Dies ist aber nicht zu vernachlässigen, das Befinden und die Immunabwehr des Patienten werden durch solche Zusatzbestrahlungen sicher nicht verbessert: Betragen die tödlichen Gesamtkörperdosen doch auch nur um 5 % der üblichen Tumordosis! Eine Belastung, die Scanning-Verfahren vermeiden!

• Tumore haben in der Regel verzerrt kugelähnliche oder klumpenförmige Formen. Die Anpassung der Bragg-Peaks mittels der Schablonen an eine der Hinterwand des Tumors geometrisch konforme Schicht und deren Vorwärtsverlagerung mittels Flywheel überträgt diese geformte Schicht in Richtung Vorderwand des Tumors (Abbildung 4), es kommt im Effekt zu einem seitlichen Überstehen („hasenohrartig“) der Tumorhöchstdosis nach vorne, in Richtung Strahlenquelle. Zusammen mit der offensichtlichen Tatsache, dass diese gesamten mechanischen Einschübe in den Strahlengang immer Ungenauigkeiten aufweisen, heißt das, dass nach Maßstäben der Scanning-Methode das Scattering-Verfahren umso weniger in der Lage ist, ein optimales und präzises Dosisbild zu erzielen, je größer der Tumor ist. Es belastet damit das gesunde Gewebe unnötig.

 

 

SCANNING

Die optimierte Technik des Protonen-Scannings. In diesem Zusammenhang bedeutet „to scan“ abtasten. Beim Scanning-Verfahren wird der Strahl ebenfalls bleistiftdünn am Therapieplatz angeliefert, nun aber in genau sequentiell adjustierten Partikelgeschwindigkeiten, die die einzelnen Eindringtiefen festlegen. Der Strahl erfährt in Patientennähe keinerlei schädliche, Neutronenstrahlung auslösende Bremsungen durch Materiekontakte: no-touch-Technik. Vielmehr passiert er zwei Magnetfelder, die ihn wie einstmals bei einem Fernseher mit einer Videoröhre hin und her schwenken, in zwei Dimensionen oben/unten und links/rechts. Der Strahl besteht schließlich aus (positiv) geladenen Partikeln, die sich  genauso, nur umgekehrt wie die (negativ) geladenen Elektronen beim TV mit Magnetfeldern gezielt seitlich ablenken lassen. Aufgrund der 1.835 mal so hohen Masse der Protonen (die durch ihre Annäherung an die Lichtgeschwindigkeit auch noch um bis zu 25% relativistisch zugenommen hat) wiegen beim RPTC diese Scan-Magnete jeder Gantry etwa eine Tonne.

Ähnlich einem Fernsehapparat mäandert der Strahl über den Tumor (Abbildung 5). Allerdings haben wir es jetzt mit einem dreidimensionalen Objekt zu tun. Die Abtastung in der dritten Dimension, in der Tiefe, in Strahlrichtung, wird durch die erwähnte gleichzeitige sorgfältige stufenweise Einstellung der Partikelgeschwindigkeit und damit der Eindringtiefe, damit der Position des Bragg-Peaks bewerkstelligt (Abbildung 6).

Sie können sich vorstellen, der Rechenaufwand für die Steuerung der Magnete und der Strahlenquelle ist erheblich, zudem es hier auch noch gilt, wegen der relativistischen Massenzunahme der schnellen Protonen Einsteins spezielle Relativitätstheorie zu beachten.

Die Vorteile des Protonen-Scannings für den Patienten. Der immense Entwicklungsaufwand der elektronischen Steuerung war ein erheblicher Nachteil des Scanning-Verfahrens, er hat seine Einführung weltweit verzögert – und auch die Inbetriebnahme des RPTC mit Entwicklungszeit belegt. Dies waren aber Nachteile für den Hersteller – nicht für die Patienten!

• Die Bestrahlung kann schneller erfolgen, da alle Strahljustierungen von Strahlrichtung zu Strahlrichtung während der Drehung der Gantry nunmehr elektronisch geschehen, mechanische Gerätewechsel sind nicht mehr nötig. Die Strahlentherapeuten sind wesentlich freier, auch komplexe Zutrittswege für den Strahl zu wählen.

• Der Patient bleibt frei von signifikanten äußeren Neutroneneinstrahlungen. Hat der Strahl in Patientennähe doch außer dünnsten Messkammern, von denen noch die Rede sein wird, und einer dünnen Folie, die den Vakuumtransportraum abschließt, keine Materie passiert.

• Der entscheidende Vorteil ist aber: Die Tumorhöchstdosis (wie in den vorderen Scattering-Überständen) tritt vor dem Tumor nicht mehr auf. Mit bis zu mehr als 10.000, siehe oben das Fallbeispiel, überlappenden Einzelpunkten wird der Tumor in allen seinen Konturen hinten, seitlich und vorne zielgenau abgestrahlt. Eine bessere Ortsdosisverteilung ist nicht denkbar. Tatsächlich kann der Therapeut Punkt für Punkt des Tumors die Dosis in Praxis frei optimieren.

Enthält diese neue Scanning-Methode einen Gefahrenpotential für den Patienten? Die Antwort ist ein klares nein. Der Schlüssel hierin liegt zum einen in der Dosisvermessung jedes einzelnen Bestrahlungspunktes (der sogenannten „spots“) der sich (je nach Tumortiefe) z. B. zwischen nur 5 und 6 mm vom nächsten Bestrahlungspunkt entfernt befindet – um eine gleichmäßige Wirkungsüberlappung zu erzielen. Das Scanning-System am RPTC konnte deshalb – ganz im Gegenteil zu einem Scattering-System – Punkt für Punkt vermessen werden. Präzision und Genauigkeit der Reproduktion der Dosis sind eindrucksvoll (Abbildung 7). Diese Einzelpunktvermessung erlaubt es auch, in Zukunft die 1 mm-Genauigkeit der Strahlpräzision auf, mit keinem anderen Verfahren erreichbare, schier unglaubliche 0,25 mm zu verbessern (siehe Monatsbericht Dezember ´09).

Gelegentlich wird behauptet, das Scanning-Verfahren sei im Vergleich zum Scattering-Verfahren gegen Bewegungen der Patienten oder Organe empfindlicher. Dies trifft nicht zu. An den Tumorrändern sind beide Verfahren gleich sensibel gegen Zielverschiebungen. Dies ist genau der Grund, warum bei beiden Verfahren die fachkundigen Physiker und Radioonkologen das Zielgebiet immer größer wählen als den im CT oder Kernspin dargestellten Tumor. Beide Verfahren sind aber gegen Über- oder Unterdosisbildungen innerhalb des Tumors empfindlich, wenn das Zielorgan sich bewegt: Auch das Scattering-Verfahren bewegt den Bragg-Peak schließlich in der Tiefendimension (z) hin und her (mit Frequenzen von ca. 160 Herz). Beim Scanning-System treten drei Bewegungsfrequenzen der Bragg-Peaks von Spot zu Spot auf (größenordnungsmäßig): 0,1 Hz entlang der z-Dimension, d. h. der Eindringtiefe von Abtastschicht zur Abtastschicht, 5 Hz von Zeile zu Zeile (x, d.h. links zu rechts), und 100 Hz entsprechend 10 ms, von Spot zum benachbarten Spot (y, d.h. oben zu unten). Diese Abtastfrequenzen liegen so, dass sie zum Teil in der ähnlichen Größenordnung sind wie die Bewegung des Herzbeutels (1-2 Hz) und die Pulsation der großen Gefäße. Hierauf werden der Physiker und Radioonkologe bei der Strahlrichtungswahl (links/rechts) Rücksicht nehmen. Atembewegungen bei Lunge und Leber dagegen müssen, will man eine wirklich präzise Bestrahlung, ohnehin unterdrückt werden (siehe z. B. Monatsbericht Mai ´09).

Gegenüber tumorinternen Dosisvariationen wird am RPTC eine weitere Sicherung eingeführt, das sogenannte Repainting. Das heißt, der Abtastvorgang wird mehrmals wiederholt, insbesondere im hinteren Bereich des Tumors, im vorderen findet ohnehin eine Dosisüberlappung von den tieferen Schichten her statt. Nicht aufgegeben wird aber bei diesen Wiederholungsabtastungen die Vermessung der Dosispunkte Spot für Spot. Wir wissen genau, wohin wir welche Dosis gestrahlt haben und können dies bei jedem Patienten dokumentieren.

Die sichere Option ist Scanning.

PROTONEN-SCANNING UND SCHLAGWORTE

Die amerikanische Industrie ist Weltmeister im Erfinden von Suggestivbegriffen, die Vorzüge ihrer Produkte anpreisen. Auch die verschiedenen Verfahren der Strahlentherapie werden zur Zeit mit immer mehr kaum zur Aufklärung beitragenden Begriffen überzogen. Daher hier ein kleines Glossar:

IGRT, Image Guided Radio Therapy. Vor längerer Zeit wurde die Position des Tumors in erster Linie durch Orientierungspunkte an der Körperoberfläche aufgesucht. Ein Verfahren, das für moderne Bestrahlungsmethoden, insbesondere bei der Ionentherapie, also für alle Partikelbestrahlungen, die aufgrund des Bragg-Peaks dreidimensional zielen müssen, keineswegs mehr hinreichend ist. Für diese Partikelbestrahlungen muss nicht nur die genaue Lokalisation des Tumors in der Körpertiefe bekannt sein, das vorher angefertigte Computertomogramm erlaubt es auch, den die Bragg-Peak-Position bestimmenden Verzögerungseffekt, den das vor dem Tumor liegende gesunde Gewebe auf die Protonen ausübt, exakt zu kalkulieren. In der Regel werden vorher angefertigte Computerbilder auch benutzt, die Position des Patienten und damit des Tumors im Bestrahlungsgerät zu verifizieren. Beim RPTC geschieht dies millimetergenau durch ein „Wiederfinden“ der knöchernen Umgebung, wie sie vom diagnostischen Computertomogramm erfasst worden war, durch in das Bestrahlungsgerät integrierte Röntgenapparaturen. Genauere Informationen siehe Monatsbericht April 2009. Das RPTC-System erlaubt es, die Lagerungspräzision auch während der Strahlentherapie, in kurzen Bestrahlungspausen, zu verifizieren – „image guidance“.

Andere Verfahren versuchen, den Patient von einem vorlaufenden CT möglichst erschütterungsfrei zum Bestrahlungsgerät zu transportieren (Paul-Scherrer-Institut, Villigen). Dieses Verfahren ist natürlich nicht sinnvoll während der Therapie zu wiederholen, es beruht auf der Annahme, dass während des Transportes keine Bewegungen auftreten und erfordert einen hohen Aufwand bei der Immobilisation.

Cone Beam CT. Damit wird der Versuch beschrieben, ein Computertomographiegerät in den Bestrahlungsplatz selbst zu integrieren. Dies ist nicht so kompliziert wie es erscheint. Lässt man die Gantry um den Patienten kreisen, so können die digitalen Röntgenaufnahmen im RPTC ohne Weiteres auch als Computertomogramm elektronisch ausgewertet werden. Dies würde jedoch bedeuten, dass der Radiologe während der wiederholten täglichen Bestrahlungssitzungen jedes Mal neu versucht, die sich oft kontrastarm abbildenden Tumorgrenzen neu aber identisch zu verifizieren. Die Qualität der Cone Beam CTs ist auf alle Fälle der eines optimierten Computertomographen unterlegen. Eine Praktikabilität ist nicht gegeben.

Marker. Besteht die Möglichkeit, dass das zu bestrahlende Organ oder der Tumor sich gegenüber dem übrigen Körper bzw. dem knöchernen Skelett von Bestrahlung zu Bestrahlung bewegt, kann der Tumor mit kleinsten Goldkügelchen per Injektionen versehen werden, z.B. bei der Prostata. Das RPTC-System bildet dann eine sogenannte region of interest um diese Kügelchen und verifiziert die Position des Tumors auf diese Weise.

IMRT, Intensity Modulated Radiotherapy. Auch beim konventionellen Röntgen wird die geometrische Konformität des bestrahlten Zielgebietes zur Gestalt des Tumors umso besser, aus je mehr Strahlrichtungen die Therapie erfolgt. Hierbei ist es naheliegend, Einstrahlrichtungen (oder bei Röntgen auch Ausstrahlrichtungen), die Risikoorgane touchieren, stellenweise mit weniger Intensität der Strahlung zu versehen als die besser befahrbaren Strahlrichtungen. Dies nennt sich dann Intensity Modulated Radiotherapy. Natürlich bringt diese Dosisanpassung eine weitere Verbesserung in Bezug auf die Belastung von Risikoorganen und Tumorbestrahlungskonformität. Aber: Ein Problem der Röntgenbestrahlung konnte das IMRT nicht lösen: Das Verhältnis von integrierter Dosis im Tumor zu integrierter Dosis in der Körperumgebung, naturgesetzlich bedingt durch den exponentiellen Dosisabfall des Röntgenstrahls in der Körpertiefe, konnte nicht verbessert werden. Gefährliche Einzel-Einstrahlungsrichtungen werden ersetzt durch etwas, was (von den Partikelstrahlern) als „Dosisbad“ bezeichnet wird.

IMPT, Intensity Modulated Proton Therapy. Dieser Begriff stammt an sich vom Scattering-System. Da im Scanning-System jeder einzelne Tumorbereich, jeder sogenannte „Spot“ oder „Voxel“ einzeln dosiskontrolliert bestrahlt wird, können individuelle Dosismodifikationen ohnehin eingeplant werden: die Dosis wird Spot für Spot individuell dem Zugangsweg angepasst.

Active Scanning. Dieser wenig aussagekräftige Begriff ist zur Zeit Mode für das, was wir ausführlich geschildert haben: PROTONEN-SCANNING.