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Grundlagen der therapeutischenAnwendung ionisierender Strahlung
(Teil 1: Bestrahlungsgeräte)
Jürgen SalkUniversitätsklinikum Ulm
Klinik für Strahlentherapie
Inhalt der Vorlesung (Teil 1)• Einleitung
– Ziel der Strahlentherapie– Dosisbegriffe und Einheiten– Strahlenarten
• Strahlenquellen in der Therapie– Teletherapie (perkutane Therapie)
• Röntgenröhren• Gammabestrahlungsgeräte• Linearbeschleuniger
– Brachytherapie• Interstitielle und Intrakavitäre Therapie• Afterloading-Technik
Inhalt der Vorlesung (Teil 1)• Einleitung
– Ziel der Strahlentherapie– Dosisbegriffe und Einheiten– Strahlenarten
• Strahlenquellen in der Therapie– Teletherapie (perkutane Therapie)
• Röntgenröhren• Gammabestrahlungsgeräte• Linearbeschleuniger
– Brachytherapie• Interstitielle und Intrakavitäre Therapie• Afterloading-Technik
Ziel der Strahlentherapie
• Vernichtung der Tumorzellen→ TCP (Tumor Control Probability)
• Schonung von gesundem Gewebe→ NTCP (Normal Tissue Complication Probability)
TCP und NTCP
0
20
40
60
80
100
120
0 10 20 30 40 50
TCPNTCP
Dosis in Gray
Wirk
ung
in %
Nach Holthusen (1936)
TCP und NTCP
0
20
40
60
80
100
120
0 10 20 30 40 50
TCPNTCP
Dosis in Gray
Wirk
ung
in %
Nach Holthusen (1936)
„Therapeutisches Fenster“
50
0
20
40
60
80
100
120
0 10 20 30 40 50
TCPNTCPHeilung
TCP, NTCP und Heilung
Dosis in Gray
Wirk
ung
in %
Nach Holthusen (1936)
TCP x (1-NTCP)
0
20
40
60
80
100
120
0 10 20 30 40 50
TCPNTCPHeilung
TCP, NTCP und Heilung
Dosis in Gray
Wirk
ung
in %
Nach Holthusen (1936)
„Optimale Dosis“
TCP x (1-NTCP)
0
20
40
60
80
100
120
0 10 20 30 40 50
TCPNTCPHeilung
TCP, NTCP und Heilung
Dosis in Gray
Wirk
ung
in %
Reduktion um 5 Gy
Nach Holthusen (1936)
Ziel der Strahlentherapie
• Möglichst breites Therapeutisches Fenster– Kombination mit Chemotherapie (Radioprotektoren
bzw. Radiosensitizer)– Fraktionierungsschemata (z.B. Hyperfraktionierung)– präzise Lokalisation– Strahlenart– Bestrahlungstechnik
• Applikation der Optimalen Dosis– Klinische Studien– Klinische Dosimetrie
} Bestrahlungsplanung
Inhalt der Vorlesung (Teil 1)• Einleitung
– Ziel der Strahlentherapie – Dosisbegriffe und Einheiten– Strahlenarten
• Strahlenquellen in der Therapie– Teletherapie (perkutane Therapie)
• Röntgenröhren• Gammabestrahlungsgeräte• Linearbeschleuniger
– Brachytherapie• Interstitielle und Intrakavitäre Therapie• Afterloading-Technik
Dosisbegriffe und Einheiten
Energiedosis D:Absorbierte Energie dividiert durch die Masse desbestrahlten Volumens
Strahlenquelle Körper absorbiertStrahlenenergie(vollständig oderteilweise)
⇒ Erwärmung
EintretendeStrahlungs-energie
AustretendeStrahlungs-energie
mED abs=
Dosisbegriffe und Einheiten
Definition einer Kalorie:„Eine Kalorie ist die Energiemenge, die man benötigt, um 1 g Wasservon 14,5 °C auf 15,5 °C bei Normaldruck (1013 hPa) zu erwärmen“
Energiedosis D:Absorbierte Energie dividiert durch die Masse desbestrahlten Volumens
mED abs=
kgkcal0002388,0
kgJ1Gray1 ==
Einheit der Energiedosis:1 Gray = 1Gy
Dosisbegriffe und Einheiten
Definition einer Kalorie:„Eine Kalorie ist die Energiemenge, die man benötigt, um 1 g Wasservon 14,5 °C auf 15,5 °C bei Normaldruck (1013 hPa) zu erwärmen“
kgkcal0002388,0
kgJ1Gray1 ==
Strahlungsdosis von 1 Gy bewirkt eineTemperaturhöhung im Gewebe von 0,0002388 °C.
Ganzkörperdosis von 4 Gy entspricht LD50 für denMenschen.
Dosiswirkung beruht nicht auf thermischen Effekten derStrahlung!
⇒
⇒
⇒
Worauf beruht die Wirkung derionisierenden Strahlung?
• Tumorwachstum durch Zellteilung• Strahlung ionisiert Atome in den Zellen• Schädigung der Erbsubstanz im Zellkern (DNA)• Zelle verliert Teilungsfähigkeit
⇒ Zelltod
Inhalt der Vorlesung (Teil 1)• Einleitung
– Ziel der Strahlentherapie – Dosisbegriffe und Einheiten – Strahlenarten
• Strahlenquellen in der Therapie– Teletherapie (perkutane Therapie)
• Röntgenröhren• Gammabestrahlungsgeräte• Linearbeschleuniger
– Brachytherapie• Interstitielle und Intrakavitäre Therapie• Afterloading-Technik
Strahlenarten• Hochenergetische elektromagnetische Strahlung (Photonen)
→ künstlich erzeugt durch Maschinen (Röntgen- od. Bremsstrahlung)
→ Zerfall radioaktiver Nuklide (γ-Strahlung)
• Geladene Teilchen (Korpuskularstrahlung)
→ Beschleunigung in elektromagnetischen Feldern (z.B. Elektronen, Protonen, schwere Ionen)
→ Zerfall radioaktiver Nuklide (z.B. β-Strahlung, α-Strahlung)
Strahlenarten: Photonen
„Alles-oder-Nichts“-Wechselwirkungen (in erster Näherung)
( ) x0 eIxIdxIdI µ−⋅=⇒⋅⋅µ−=
Das Exponentielle Schwächungsgesetz
Strahlenarten: PhotonenDas Abstandsquadratgesetz (für punktförmige Strahlenquellen)
( )( )
2
1
2
2
1
rr
rrIrrI
===
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
0 5 10 15 20 25 30
Tiefe [cm]
Inte
nsitä
t
Strahlenarten: Photonen
Nur exponentielles Schwächungsgesetz
Mit Abstandsquadratgesetz
SSD = 100 cm
SSD = 10 cm
Strahlenarten: Elektronen„Viele kleine Wechselwirkungen“
⇒ Endliche Reichweite
Strahlenarten: Elektronen„Viele kleine Wechselwirkungen“
• Mittlere Reichweite R
• Praktische Reichweite Rp
• Maximale Reichweite Rmax
Inhalt der Vorlesung (Teil 1)• Einleitung
– Ziel der Strahlentherapie – Dosisbegriffe und Einheiten – Strahlenarten
• Strahlenquellen in der Therapie– Teletherapie (perkutane Therapie)
• Röntgenröhren• Gammabestrahlungsgeräte• Linearbeschleuniger
– Brachytherapie• Afterloading• Seedimplantation
Konventionelle RöntgentherapieRöntgenröhre (Schema)
Konventionelle RöntgentherapieEntstehung von Röntgenstrahlung
Bremsstrahlung Charakteristische Strahlung
Kontinuierliches SpektrumLinienspektrum
Konventionelle RöntgentherapieSchema einer Weichstrahlröhre
Röhrenspannung: 10 – 50 kV ⇒ Grenzenergie: 10 – 50 keV
1 eV = 1 V × 1.602 × 10-19 C = 1.602 × 10-19 J
Konventionelle Röntgentherapie
RT 100 (Fa. Philips)
Konventionelle Röntgentherapie
RT 100 (Fa. Philips)
Konventionelle RöntgentherapieTiefendosis-Verlauf
Oberflächentherapie
10 - 50 kV
Konventionelle RöntgentherapieTiefendosis-Verlauf
Halbtiefentherapie60 und 150 kV
Tiefentherapie(Orthovolttherapie)
bis ca. 300 kV
→ Telegammageräte bzw. LinearbeschleunigerTiefentherapie
Inhalt der Vorlesung (Teil 1)• Einleitung
– Ziel der Strahlentherapie – Dosisbegriffe und Einheiten – Strahlenarten
• Strahlenquellen in der Therapie– Teletherapie (perkutane Therapie)
• Röntgenröhren • Gammabestrahlungsgeräte• Linerarbeschleuniger
– Brachytherapie• Interstitielle und Intrakavitäre Therapie• Afterloading-Technik
Die Telekobaltanlage
59Co + n → 60Co + γ
Erzeugung im Kernreaktor:
Radioaktiver Zerfall:60Co → 60Ni* + β−
Halbwertszeit: 5,272 Jahre
60Ni* → 60Ni + γ1 + γ2
Die TelekobaltanlageStrahlerkopf (Schema)
Zylinderförmige Quelle ( 1 - 2 cm ∅ )
Die Telekobaltanlage
Gammatron 3 (Fa. Siemens) Gammatron S (Fa. Siemens)
Die TelekobaltanlageVergleich des Tiefendosisverlaufes: Konventionelle Röntgen-Strahlung und 60Co γ-Strahlung
• Eindringvermögen
• Aufbaueffekt (0.5 cm)
Inhalt der Vorlesung (Teil 1)• Einleitung
– Ziel der Strahlentherapie – Dosisbegriffe und Einheiten – Strahlenarten
• Strahlenquellen in der Therapie– Teletherapie (perkutane Therapie)
• Röntgenröhren • Gammabestrahlungsgeräte • Linearbeschleuniger
– Brachytherapie• Interstitielle und Intrakavitäre Therapie• Afterloading-Technik
Der Linearbeschleuniger
Beschleunigung eines Elektrons in elektrischem Feld
Grundprinzip
∆E = q × U = e × U
Der LinearbeschleunigerGrundprinzip
Der LinearbeschleunigerGrundprinzip
∆E = q × U = e × U
Der LinearbeschleunigerGrundprinzip
∆E = q × U = e × U
∆E = 2 × q × U = 2 × e × U
Der LinearbeschleunigerGrundprinzip
Der LinearbeschleunigerGrundprinzip
∆E = 2 × q × U = 2 × e × U
Der LinearbeschleunigerGrundprinzip
∆E = 2 × q × U = 2 × e × U ∆E = 3 × q × U = 3 × e × U
Der LinearbeschleunigerGrundprinzip
Elektromagnetische Welle (Mikrowelle): ca. 3000 MHz
Der LinearbeschleunigerGrundprinzip
Der Linearbeschleuniger
Der Linearbeschleuniger
Strahlstrom von 100 mA ⇔ 1018 Elektronen pro Sek.
PhotonenstrahlungProzentuale Tiefendosis
PhotonenstrahlungIsodosenvergleich: 60Co γ-Strahlung und 18MV Bremsstrahlung
• Stärkeres Eindringvermögen
• Steilerer Randabfall
• Ausgeprägterer Aufbaueffekt
Wie entsteht der Aufbaueffekt ?
• Photonen erzeugen Sekundärelektronen
• SE bewegen sich in Strahlrichtung
• SE übertragen ihre kinet. Energie
• Überlagerung der Dosisbeiträge
• Dosis nimmt zunächst zu
• Maximum bei mittl. Reichweite der SE
Praktische Bedeutung:
Hautschonung (!!!)
ElektronenstrahlungProzentuale Tiefendosis
⇒ Oberflächennahe Behandlungen
Inhalt der Vorlesung (Teil 1)• Einleitung
– Ziel der Strahlentherapie – Dosisbegriffe und Einheiten – Strahlenarten
• Strahlenquellen in der Therapie– Teletherapie (perkutane Therapie)
• Röntgenröhren • Gammabestrahlungsgeräte • Linearbeschleuniger
– Brachytherapie• Interstitelle und Intrakavitäre Therapie• Afterloading-Technik
BrachytherapieBrachy (griech.) nah, kurz
Interstitielle Therapie:Strahlenquelle(n) wird direkt in dasBestrahlungsvolumen gebracht
Intrakavitäre Therapie:Strahlenquelle wird über (natürlicheoder künstliche) Körperöffnungen inKontakt oder unmittelbare Nähe desBestrahlungsvolumens gebracht
Ausnutzung des Abstandsquadratgesetzeszur gezielten kleinvolumigen Bestrahlung
Interstitielle Therapie
Verteilung der Seeds nach Applikation(ap-Röntgenbild)
Beispiel: Prostata125I Seeds
Planung der Seedpositionen(Ultraschall)
Inhalt der Vorlesung (Teil 1)• Einleitung
– Ziel der Strahlentherapie – Dosisbegriffe und Einheiten – Strahlenarten
• Strahlenquellen in der Therapie– Teletherapie
• Röntgenröhren • Gammabestrahlungsgeräte • Linearbeschleuniger
– Brachytherapie• Interstitelle und Intrakavitäre Therapie • Afterloading-Technik
Afterloading-Technik
HDR (High Dose Rate) > 12 Gy/h
⇒ Kurze Bestrahlungszeiten
Strahlenquelle: 192Ir (60Co, 137Cs)
Afterloading-Technik
3 mm steel cable
5.0 mm
0.6 mm
3.5 mm
1.1 mm
Active Ir-192 Core
Strahlenquellen Afterloading-TechnikApplikatoren für Gynäkologische Anwendungen
Vaginalapplikator für dieBrachytherapie nachdem Afterloadingverfahren.
Intrauterine gebogene Einkanalsonde mitVaginalzylinder
Afterloading-Technik
Filmaufnahme (Filmschwärzung durch γ-Strahlung)
Haltepunkte
Filmmarkierung1 cm
Afterloading-Technik
Dosisverteilung bestimmt durchGeometrie des Applikators
Optimierung durch Modifikationder Haltezeiten
Zusammenfassung
Strahlentherapie
Teletherapie Brachytherapie/Afterloading
Photonen Korpuskel
Röntgen
Megavolt
Telekobalt
Elektronen
Protonen,Neutonen,schwere Ionen
Photonen Korpuskel
β-Strahlungγ-Strahlung
Interstitiell Intrakavitär
Permanent Temporär
Zusammenfassung
Strahlentherapie
Teletherapie Brachytherapie/Afterloading
Photonen Korpuskel
Röntgen
Megavolt
Telekobalt
Elektronen
Protonen,Neutonen,schwere Ionen
Photonen Korpuskel
β-Strahlungγ-Strahlung
Interstitiell Intrakavitär
Permanent Temporär
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