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 UKR setzt auf roboterassistierte Wirbelsäulenchirurgie
02.12.2016 | Universitätsklinikum Regensburg (UKR)

nachricht Neu entwickeltes Plasmaskalpell ermöglicht schonende Operationen
22.11.2016 | FH Aachen

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Medizintechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Greifswalder Forscher dringen mit superauflösendem Mikroskop in zellulären Mikrokosmos ein

Das Institut für Anatomie und Zellbiologie weiht am Montag, 05.12.2016, mit einem wissenschaftlichen Symposium das erste Superresolution-Mikroskop in Greifswald ein. Das Forschungsmikroskop wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Mecklenburg-Vorpommern finanziert. Nun können die Greifswalder Wissenschaftler Strukturen bis zu einer Größe von einigen Millionstel Millimetern mittels Laserlicht sichtbar machen.

Weit über hundert Jahre lang galt die von Ernst Abbe 1873 publizierte Theorie zur Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen als ein in Stein gemeißeltes Gesetz....

Im Focus: Durchbruch in der Diabetesforschung: Pankreaszellen produzieren Insulin durch Malariamedikament

Artemisinine, eine zugelassene Wirkstoffgruppe gegen Malaria, wandelt Glukagon-produzierende Alpha-Zellen der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) in insulinproduzierende Zellen um – genau die Zellen, die bei Typ-1-Diabetes geschädigt sind. Das haben Forscher des CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit mit modernsten Einzelzell-Analysen herausgefunden. Ihre bahnbrechenden Ergebnisse werden in Cell publiziert und liefern eine vielversprechende Grundlage für neue Therapien gegen Typ-1 Diabetes.

Seit einigen Jahren hatten sich Forscher an diesem Kunstgriff versucht, der eine simple und elegante Heilung des Typ-1 Diabetes versprach: Die vom eigenen...

Im Focus: Makromoleküle: Mit Licht zu Präzisionspolymeren

Chemikern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es gelungen, den Aufbau von Präzisionspolymeren durch lichtgetriebene chemische Reaktionen gezielt zu steuern. Das Verfahren ermöglicht die genaue, geplante Platzierung der Kettengliedern, den Monomeren, entlang von Polymerketten einheitlicher Länge. Die präzise aufgebauten Makromoleküle bilden festgelegte Eigenschaften aus und eignen sich möglicherweise als Informationsspeicher oder synthetische Biomoleküle. Über die neuartige Synthesereaktion berichten die Wissenschaftler nun in der Open Access Publikation Nature Communications. (DOI: 10.1038/NCOMMS13672)

Chemische Reaktionen lassen sich durch Einwirken von Licht bei Zimmertemperatur auslösen. Die Forscher am KIT nutzen diesen Effekt, um unter Licht die...

Im Focus: Neuer Sensor: Was im Inneren von Schneelawinen vor sich geht

Ein neuer Radarsensor erlaubt Einblicke in die inneren Vorgänge von Schneelawinen. Entwickelt haben ihn Ingenieure der Ruhr-Universität Bochum (RUB) um Dr. Christoph Baer und Timo Jaeschke gemeinsam mit Kollegen aus Innsbruck und Davos. Das Messsystem ist bereits an einem Testhang im Wallis installiert, wo das Schweizer Institut für Schnee- und Lawinenforschung im Winter 2016/17 Messungen damit durchführen möchte.

Die erhobenen Daten sollen in Simulationen einfließen, die das komplexe Geschehen im Inneren von Lawinen detailliert nachbilden. „Was genau passiert, wenn sich...

Im Focus: Neuer Rekord an BESSY II: 10 Millionen Ionen erstmals bis auf 7,4 Kelvin gekühlt

Magnetische Grundzustände von Nickel2-Ionen spektroskopisch ermittelt

Ein internationales Team aus Deutschland, Schweden und Japan hat einen neuen Temperaturrekord für sogenannte Quadrupol-Ionenfallen erreicht, in denen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

Experten diskutieren Perspektiven schrumpfender Regionen

01.12.2016 | Veranstaltungen

Die Perspektiven der Genom-Editierung in der Landwirtschaft

01.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Parkinson-Krankheit und Dystonien: DFG-Forschergruppe eingerichtet

02.12.2016 | Förderungen Preise

Smart Data Transformation – Surfing the Big Wave

02.12.2016 | Studien Analysen

Nach der Befruchtung übernimmt die Eizelle die Führungsrolle

02.12.2016 | Biowissenschaften Chemie