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Die Technik der Protonenbestrahlung

Beschleunigung der Protonen


Frei bewegliche Protonen gibt es in größerer Zahl nur im Weltraum. Auf der Erde müssen sie zunächst aus Wasserstoffgas gewonnen werden. Dazu dient ein Gerät, das auf elektrischem Weg die negativ geladenen Elektronen der Wasserstoffatome abtrennt. Was übrig bleibt, sind die positiv geladenen Protonen. Dieser Vorgang spielt sich in einem winzigen Maßstab ab: Die für eine komplette Therapie benötigte Menge an Wasserstoffgas ist wesentlich kleiner als die Gasmenge einer einzigen Champagnerperle.

Im Teilchenbeschleuniger – dem sogenannten Zyklotron – werden die Protonen dann mit starken elektromagnetischen Feldern in einer spiralförmigen Bahn auf 60 % der Lichtgeschwindigkeit (180.000 km in der Sekunde) beschleunigt. Die schnellste Spiralbahn, am Rand des Zyklotrons, wird durch ein elektrisches Feld nach außen abgelenkt und fliegt dadurch in gerader Linie aus dem Gerät heraus.

Strahlaufbereitung – Steuern der Eindringtiefe

Bei 180.000 km/s dringen Protonen etwa 38 cm tief in den Körper ein. Liegt das Bestrahlungsziel, also der Tumor, näher an der Oberfläche, müssen sie gebremst werden. Das geschieht unmittelbar nach dem Verlassen des Zyklotrons im sogenannten Energy Selection System (ESS), das Keilkörper aus Kohlenstoff in den Strahlengang schiebt und damit exakt die gewünschte Geschwindigkeit erzielt.

 

 

Strahlführung und Zielvorrichtung

Der solchermaßen abgebremste Strahl wird nun durch ein Vakuumrohr zum Therapieplatz, der sogenannten Gantry, geführt. Dabei legt er bis zu 92 Meter zurück, auf denen er mithilfe magnetischer Linsen fortwährend fokussiert wird – sonst würden die Protonen auseinander fliegen. Bei der Gantry handelt es sich um eine 150 Tonnen schwere, um die Horizontalachse 360° drehbare tonnenförmige Stahlkonstruktion von elf Metern Durchmesser, die starke Magnete zur genauen Ausrichtung des Protonenstrahls enthält. Innerhalb dieses Hohlkörpers wird der Patient auf einer Konturmatratze, die einer Liege aus Kohlefaser aufliegt, fixiert.

Die Biegemagneten der Gantry lenken den emittierten Strahl senkrecht auf die Drehachse der Gantry. Dreht man nun die Konstruktion, so trifft der Strahl mit einer Genauigkeit von besser als 0,5 mm immer in dasselbe sogenannte „Isozentrum” – von jeder gewünschten Seite her. Das ist – zusammen mit der ebenfalls präzise einstellbaren Patientenliege – der Schlüssel, um Tumoren immer aus der medizinisch optimalen Richtung zu bestrahlen.

 

Nozzle

Die Nozzle ist der an den Patienten herantretende Endteil der Strahlführung. Er ist nahe dem Patienten montiert, um den Strahl möglichst lange streufrei im Vakuum transportieren zu können. Hinter der Nozzle untergebracht ist das Herzstück des im RPTC angewendeten Präzisions Scanning Verfahrens. Es besteht im Wesentlichen aus den beiden letzten kleinen Biegemagnetpaaren, die den Strahl in zwei Dimensionen ablenken, einmal weg von der Gantryachse und einmal parallel zur Gantryachse, und damit zwei der drei Dimensionen der Präzisionszielgebung mit dem Scanning-System stellen. Die dritte Dimension wird, wie erläutert, durch Veränderung der Eindringtiefe durch Steuerung der Strahlenergie abgetastet. Dieses Verfahren stellt die modernste Form der Protonentherapie dar. Mit ihm können in einer Sitzung mehrere Tumoren ohne Zeitverlust aus mehreren Richtungen bestrahlt werden, sofern die Bestrahlungsfelder nicht deutlich unter 20 mm Durchmesser aufweisen.

 

Zur Behandlung sehr kleiner Tumoren kann die Nozzle mit Miniaturschablonen ausgerüstet werden, die den Strahl genau auf Kleintumoren zum Beispiel im Gehirn anpassen. Die Nozzle enthält auch Strahldetektoren, die nochmals die Strahlstärke, die Strahlenergie und damit Eindringtiefe, und die X- und Y-Dimensionen der Ablenkung kontrollieren und unabhängig von der restlichen Steuerung auf Übereinstimmung mit den gewünschten Daten beim Patienten prüfen. Schließlich tritt der Strahl durch ein das Vakuum abschottendes Fenster aus Kapton-Kunststoff ins Freie.

Patientenliege

Die aus Kohlenfaser gefertigte Liege, auf der die Konturmatratze für den Patienten befestigt wird, ist in allen Freiheitsgraden beweglich, sie kann auch etwas rollen. Die Millimeterdurchbiegung der auskragenden Patientenliege bei weniger leichtgewichtigen Patienten wird automatisch korrigiert. Nachdem sie in die ungefähre Position in der Gantry eingefahren ist, nimmt ein röntgengestütztes Präzisionszielsystem seine Tätigkeit auf und justiert in kleinsten Schritten millimetergenau, bis der Tumor exakt im Zielgebiet des Protonenstrahls liegt.

Fixed-Beam-Therapieplatz

Neben den vier Gantries verfügt das RPTC noch über einen in der Entwicklung stehenden fünften Behandlungsraum, den sogenannten Fixed-Beam-Therapieplatz. Dieser Platz ist für den Augen- und Schädelbereich optimiert. Er liefert, um eine Verkleinerung der Magnete zu ermöglichen und die Präzision zu erhöhen, nur bis zu 160 MeV, ist also nur bis zu einer Eindringtiefe von 17 cm zu verwenden. Hier liegt der Patient nicht, sondern sitzt in einem allseits motorisch beweglichen Stuhl. Die Fixation erfolgt immer mit einem Gebißstativ. Der Strahl läuft horizontal zu, auch die Röntgengeräte überkreuzen sich horizontal. Zusätzlich sind noch die Fixations- und Kontrolleinrichtungen für die Augenposition vorhanden. Die Entscheidung, in welchem Typ Therapieplatz der Patient bestrahlt wird, wird nach medizintechnischen Kriterien getroffen, die diese Spezialisierung berücksichtigen.

Hyperpräzision am RPTC mit dem Scanning-Verfahren

Das RPTC ist mit Ausnahme von Forschungsinstituten in der Schweiz und in Deutschland das einzige Protonentherapiezentrum, das mit dem Präzisionsscanning-Verfahren arbeitet.

Die Anlage ist von der Mechanik, der Qualitätskontrolle und von der Software her darauf ausgelegt, den Strahl dreidimensional mit Präzisionen besser als oder mindestens +/- einem Millimeter zu steuern. Das heißt beispielsweise, dass die 150 Tonnen Gantries, die sich um 360° Grad drehen können, einen „Isocenter“ genannten Punkt, den Bestrahlungsmittelpunkt, immer genau mit Millimeter-Präzision treffen. Das bedeutet, extrem genaues Schweißen dieser 150 Tonnen schweren Stahlgeräte. Überdies, die vier Geräte rund um die Uhr in dreistöckigen, vollklimatisierten Räumen zu halten um jeglichen Verzug durch Erwärmung zu verhüten. Das bedeutete aber auch, vermessene maximale Abweichungen bei der Drehung im Bereich von 0,7 mm mit Hilfe der Steuerungssoftware des Strahls, die diese Abweichungen stellungsbezogen einprogrammiert hat, vollständig auszugleichen. Dies gelingt uns unter Einsatz eines speziellen hochpräzisen Röntgenpositioniersystems für den Patiententisch unter Verwendung unseres Patentes, das der Anlagenhersteller Varian mittlerweile als Produktionsstandard einsetzt.

 

Mehr Informationen hierzu finden Sie hier.


Patienten-Hotline

+49 (0) 89 660 680

Montag bis Freitag von

8.00 bis 18.00 Uhr

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