Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Kompakte Protonentherapie gegen Krebs

19.05.2014

Für die moderne Krebstherapie mit geladenen Teilchen wie z. B. Protonen könnten in Zukunft Laserbeschleuniger eingesetzt werden. Dazu müssen diese Anlagen aber noch deutlich kleiner und günstiger als konventionelle werden.

Der Dresdner Medizinphysiker Umar Masood schlägt in der Fachzeitschrift „Applied Physics B“ erstmals ein Design für die gesamte komplexe Maschine – vom Beschleuniger bis zum Bestrahlungsplatz – vor. Dabei gelingt es ihm, die Anlagengröße zu halbieren.


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


Die Anlage der Universitäts-Protonentherapie Dresden "OncoRay": Rechts der Kreisbeschleuniger, links die Gantry mit der Patientenliege in der Mitte, dazwischen das Strahlrohr.

Schema: OncoRay

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, Heidelberg und Essen, Dresden steht kurz vor der Inbetriebnahme. 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 gelingt dem Doktoranden Umar Masood in seiner Designstudie. Er ersetzt 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 der am University College London ausgebildete Umar Masood, der auf mehrere Jahre Klinikerfahrung zurückblickt und der für seine Doktorarbeit in Dresden eng mit Forschern am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), an der Technischen Universität sowie am Universitätsklinikum Dresden – gemeinsam tragen diese Einrichtungen das OncoRay-Zentrum – kooperiert. „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.

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 innovative 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, mit denen das Hochfeld-Magnetlabor Dresden am HZDR sehr viel Erfahrung hat.

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 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.

Publikation: U. Masood u.a.: A compact solution for ion beam therapy with laser accelerated protons, in Applied Physics B, Lasers and Optics, Online-Publikation via Springerlink.com (DOI 10.1007/s00340-014-5796-z)

Ansprechpartner für weitere Informationen:
Prof. Ulrich Schramm | Dr. Jörg Pawelke | Umar Masood
Institut für Strahlenphysik im HZDR | OncoRay, Nationales Zentrum für Strahlenforschung in der Onkologie
Tel. +49 351 260 - 2471 | +49 351 458 - 7430 | +49 351 260 - 3307
u.schramm@hzdr.de | joerg.pawelke@oncoray.de | u.masood@hzdr.de

Medienkontakt:
Christine Bohnet | Pressesprecherin
Tel. +49 351 260 - 2450 | c.bohnet@hzdr.de
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf | Bautzner Landstr. 400 | 01328 Dresden

Das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) forscht auf den Gebieten Energie, Gesundheit und Materie. Folgende Fragestellungen stehen hierbei im Fokus:
• Wie nutzt man Energie und Ressourcen effizient, sicher und nachhaltig?
• Wie können Krebserkrankungen besser visualisiert, charakterisiert und wirksam behandelt werden?
• Wie verhalten sich Materie und Materialien unter dem Einfluss hoher Felder und in kleinsten Dimensionen?
Das HZDR ist seit 2011 Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der größten Wissenschaftsorganisation Deutschlands. Es hat vier Standorte in Dresden, Leipzig, Freiberg und Grenoble und beschäftigt rund 1.000 Mitarbeiter – davon etwa 500 Wissenschaftler inklusive 150 Doktoranden.

Weitere Informationen:

http://www.hzdr.de
http://www.oncoray.de
http://link.springer.com/article/10.1007%2Fs00340-014-5796-z

Dr. Christine Bohnet | Helmholtz-Zentrum

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Medizintechnik:

nachricht Smartphones im Kampf gegen die Blindheit
18.10.2017 | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

nachricht Mehr Patientensicherheit: Neue Testmethoden für die Eignung von Implantaten für MRT-Untersuchungen
11.10.2017 | Ostbayerische Technische Hochschule Amberg-Weiden

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Medizintechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Im Focus: Neue Möglichkeiten für die Immuntherapie beim Lungenkrebs entdeckt

Eine gemeinsame Studie der Universität Bern und des Inselspitals Bern zeigt, dass spezielle Bindegewebszellen, die in normalen Blutgefässen die Wände abdichten, bei Lungenkrebs nicht mehr richtig funktionieren. Zusätzlich unterdrücken sie die immunologische Bekämpfung des Tumors. Die Resultate legen nahe, dass diese Zellen ein neues Ziel für die Immuntherapie gegen Lungenkarzinome sein könnten.

Lungenkarzinome sind die häufigste Krebsform weltweit. Jährlich werden 1.8 Millionen Neudiagnosen gestellt; und 2016 starben 1.6 Millionen Menschen an der...

Im Focus: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Im Focus: Neutron star merger directly observed for the first time

University of Maryland researchers contribute to historic detection of gravitational waves and light created by event

On August 17, 2017, at 12:41:04 UTC, scientists made the first direct observation of a merger between two neutron stars--the dense, collapsed cores that remain...

Im Focus: Breaking: the first light from two neutron stars merging

Seven new papers describe the first-ever detection of light from a gravitational wave source. The event, caused by two neutron stars colliding and merging together, was dubbed GW170817 because it sent ripples through space-time that reached Earth on 2017 August 17. Around the world, hundreds of excited astronomers mobilized quickly and were able to observe the event using numerous telescopes, providing a wealth of new data.

Previous detections of gravitational waves have all involved the merger of two black holes, a feat that won the 2017 Nobel Prize in Physics earlier this month....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Mobilität 4.0: Konferenz an der Jacobs University

18.10.2017 | Veranstaltungen

Smart MES 2017: die Fertigung der Zukunft

18.10.2017 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Dezember 2017

17.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

18.10.2017 | Biowissenschaften Chemie

Biokunststoffe könnten auch in Traktoren die Richtung angeben

18.10.2017 | Messenachrichten

»ILIGHTS«-Studie gestartet: Licht soll Wohlbefinden von Schichtarbeitern verbessern

18.10.2017 | Energie und Elektrotechnik