Energiedeposition

Zum Verständnis der Wirkung von Strahlung auf biologische Systeme müssen zunächst die physikalischen Wechselwirkungsprozesse beim Durchgang der Strahlung durch Materie betrachtet werden. Dabei ist die Energiedosis, die in einem Massenelement eines Mediums deponierte Energie, eine  wichtige Messgröße (Einheit Gray, 1 Gy = 1 J/kg).
Im Unterschied zu elektromagnetischer Strahlung (Röntgen- und Gammastrahlung), deren Intensität beim Durchgang durch Materie exponentiell mit der Eindringtiefe abfällt, haben elektrisch geladene Teilchen (Ionen) eine wohl definierte Reichweite und ihre Energiedeposition ist durch eine niedrige Dosis im Eintrittsbereich und ein ausgeprägtes, scharfes Maximum am Ende der Reichweite charakterisiert (Bragg-Peak).

Die "Abbremsung" der Ionen in Materie erfolgt vorwiegend durch inelastische Kollisionen mit den Elektronen der Atomhüllen des Stoppermaterials und wird sehr gut durch die Bethe-Bloch-Formel beschrieben. Die primär einfallenden Ionen erleiden jedoch auch Verluste durch nukleare Fragmentierungsreaktionen, wodurch mit zunehmender Eindringtiefe die Zusammensetzung des Teilchenfeldes in komplexer Weise verändert wird. Die genaue Kenntnis des Teilchenfelds ist unabdingbar für die Berechnung und Optimierung der biologisch wirksamen Dosis bei der Bestrahlungsplanung.

Das invertierte Tiefendosisprofil (Bragg-Kurve) von geladenen Teilchen stellt einen ganz wesentlichen Vorteil für die Strahlentherapie von tief im Gewebe liegenden Tumoren dar im Vergleich zur konventionellen Therapie mit Photonenstrahlung. Dieser günstige Effekt wird noch verstärkt durch eine erhöhte biologische Wirksamkeit (RBW) der Ionenstrahlen im Bereich des Bragg-Peaks, die sich auf mikroskopischer Ebene mit der hohen lokalen Ionisationsdichte in der Teilchenspur erklären lässt (biophysikalisches Modell).

Schwerpunkte des physikalischen Forschungsprogramms für die Strahlentherapie mit schweren Ionen:

• Präzise Vermessung der Tiefendosisprofile von Ionenstrahlen und Vergleich mit Modellrechnungen
• Laterale Strahlaufstreuung und Reichweiten-Straggling
• Schwerionen-Dosimetrie
• Exp. Untersuchungen zu Delta-Elektronen
• Charakterisierung des Teilchenfelds als Funktion der Eindringtiefe hochenergetischer Ionenstrahlen (Referenzmedium Wasser)
  • Experimentelle Untersuchungen zu Ausbeute; Energie- und Winkelverteilungen von Kernfragmenten
  • Sekundäre Neutronen
  • Referenzdaten für die Bestrahlungsplanung

Kontakt: d.schardtgsi.de