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06.08.09 · 16:30 Uhr

Beschleuniger in der Krebsbehandlung: Protonentherapie

Kategorie: Medizin·Naturwissenschaften  ·  Kommentare: 1

Wenn man einem Teilchen mit einem Beschleuniger Energie gegeben hat, dann lässt man es auf ein Ziel krachen. Normalerweise ist das ein anderes Teilchen, oder ein Material das man untersuchen möchte. Man kann aber auch die Energie in einen Tumor entladen und diesen dadurch zu zerstören suchen.

Zentren, die Beschleuniger einsetzen um Krebstherapie durchzuführen, müssen solide Finanzen haben, kostet es doch durchaus dreistellige Millionenbeträge, die Anlagen aufzubauen. Die Seite der Particle Therapy Co-Operation Group listet weltweit 30 Zentren, an denen Therapien mit Hadronen (siehe unten) durchgeführt werden. 3 davon sind in Deutschland, bei der etablierten Beschleunigereinrichtung GSI in Darmstadt (wo z.B. auch meistens die neuen Elemente hergestellt werden), am Helmholtz-Zentrum Berlin, und dem neuen, private Zentrum RPTC in München. Die Liste zeigt, dass die ersten Zentren erst Ende 2007 eröffneten.

Hadronen und der Bragg-Peak

Die Therapie erfolgt meistens mit beschleunigten Protonen, oder aber ganzen Atomkernen, z.B. vom Kohlenstoff. Daher spricht man zusammenfassend auch von der Hadronentherapie, denn Hadronen sind aus 3 Quarks aufgebaute Elementarteilchen wie Proton und Neutron.
Das besondere dieser Behandlungsform liegt eben in der Verwendung von Protonen. Diese weisen nämlich eine eigene Art auf, ihre Energie in einem Medium zu deponieren. Während elektromagnetische Strahlung mit zunehmender Tiefe immer weniger Energie pro Wegstrecke deponiert, ist das Verhalten von Protonen und Elektronen anders:

Die blaue und grüne Kurve zeigen die Energiemenge, die pro Wegstrecke von Photonen deponiert wird. Dise steigt sofort stark an und bereits nach wenigen Millimetern nimmt die Intensität ab. Mit Protonen dagegen steigt die deponierte Energie an, bis hin zu einer klaren Spitze, die man Bragg-Peak nennt, und die viel weiter im Medium (oder Gewebe) liegt, als für elektromagnetische Strahlung.
Gegenüber klassischer Bestrahlung liegt der Vorteil also auf der Hand: Man kann eine größere Menge Energie weiter im Inneren fokussieren.
Der Grund, warum das Proton erst spät die Energie ablädt, liegt im Mechanismus des Energieverlustes. Bei Teilchen erfolgt der Energieverlust durch Ionisation von Atomen im Material, also dem Herausschlagen von Elektronen. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein schnelles Proton ionisiert, ist schlicht geringer im Vergleich zu einem langsameren Proton, sodass die Wegstrecke, bis es im Schnitt zur Ionisierung kommt, zunächst hoch ist und dann bis zum Bragg-Peak zusammenschrumpft, und der Großteil der Energie dort fokussierbar ist.

Ein schöneres Bild, das auch den nächsten Schritt erklärt, will ich nicht klauen, daher seht es hier an. Gleiches Bild, nur dass man jetzt viele Protonenkurven hat (die vorderste ist rot schattiert). Die Idee ist, viele Protonen leicht unterschiedlicher Energie zu verwenden, sodass sich die Peaks aufaddieren zu einem Plateau, das man als "Spread-Out Bragg Peak" (SOBP) bezeichnet. Man richtet es so ein, dass die Breite des SOBP den Ausmaßen des Tumors entspricht, um ihn gleichmäßig stark zu bestrahlen. Mit 250 MeV erreicht man damit ein Plateau zwischen 15 und 20 cm Tiefe. Wenn man Atomkerne verwendet, kann man ein noch besseres Plateau mit weniger "Verbrennung" vor dem eigentlichen Ziel erreichen. Zusätzlich kann man den Strahl aus wechselnden Richtungen auftreffen lassen, um gesundes Gewebe zu schützen.
Der Einsatz dieser Therapieform ist ein aktives Gebiet für Forschung und Innovation. Die Fokussierung, Strahlungsrichtung und die Berechnung der Energie sind schwierige Aufgaben. Ein Beispiel gab es mal hier bei Neurons über die Auszeichnung von Prof. Wolfgang Enghardt, der mit Positronen-Emissions-Tomographie den Bestrahlungsvorgang überwacht.

Zyklotron

Zum Erreichen der Energie braucht es natürlich einen Beschleuniger. Die benötigten Energien von einigen 10 oder 100 MeV können mit einem Linearbeschleuniger oder einem Zyklotron erreicht werden.
Das Zyklotron funktioniert fast wie ein Linearbeschleuniger, aber der Flugweg des Teilchens wird durch Magnete auf eine Spiralbahn gebracht. Das spart Platz, sodass das Zyklotron auch in einen großen Laborkeller passt...hier ist z.B. das Zyklotron des RPTC zu sehen. Bei der GSI arbeitet ein Synchrotron, das von einem Linearbeschleuniger gespeist wird. Hier kann man es ansehen (PDF).
Am Helmholtz-Zentrum Berlin arbeitet man ebenfalls mit einem Zyklotron, das durch einen van-de-Graaff-Beschleuniger gespeist wird.

 

Autor: Jörg· 1 Kommentar· Permalink· Trackback-URL

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