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27.01.2014 | Tumortherapie in vier Dimensionen

Foto: A. Zschau/GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH

Bisher werden vor allem Gehirntumore bestrahlt, weil der Kopf fixiert werden kann.

Bild: Biophysik-Abteilung, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH

Im Experiment bestrahlter Filmstreifen zur Veranschaulichung von Bewegungskompensation.

 

Tumoren in den inneren Organen, beispielsweise in der Lunge oder der Leber, sind aufgrund der Atmung immer in Bewegung. Sie können sich in alle drei Raumrichtungen verschieben und sogar verdrehen oder neigen. Biophysiker bei GSI arbeiten an einer neuen Methode, um diese Bewegungen des Tumors bei der Therapie mit Ionenstrahlen zu berücksichtigen. Dazu nutzen sie vierdimensionale Computertomographie.

Bei der Strahlentherapie gilt es, nur auf den Tumor zu zielen und das gesunde Gewebe auszusparen. Genauso wichtig ist es, die eingestrahlte Dosis im Tumor so homogen zu verteilen, dass alle Stellen gleich stark bestrahlt werden. Denn bestrahlt man einen Teil des Tumors doppelt und dafür einen anderen gar nicht, wird der Tumor an dieser Stelle nicht zerstört und wächst weiter.


Info-Box - Bewegungskompensation

Die Bewegung des Tumors während der Atmung wird überwacht und der Strahl wird in Echtzeit mitgeführt, so dass er den Tumor immer an der richtigen Stelle trifft. Aufgrund der Komplexität der Aufgabe, sowohl beim Erfassen der Bewegung des Patienten als auch bei der Steuerung des Beschleunigers, ist diese Technik die größte Herausforderung. Sie erlaubt aber auch die schnellste und genauste Behandlung.


Insbesondere die Tumortherapie mit Ionenstrahlen kann nur funktionieren, wenn die Bestrahlung gleichmäßig ist. Bei der bereits etablierten Technik, die in der GSI-Biophysik entwickelt wurde, teilt man den Tumor in Schichten ein und kann mit dem Strahl Punkt für Punkt die Schichten abtasten (scannen). Jeder millimetergroße Punkt des Tumors erhält die gleiche Dosis. Erfolgreich angewandt wurde die Technik bei Tumoren, die man immobilisieren kann. Den Kopf eines Patienten kann man beispielsweise durch eine Maske fixieren und dann einen Hirntumor zielgenau anvisieren.

Eine vergleichbare Lösung für sich bewegende Tumoren ist das Ziel der Medizinphysiker bei GSI. Sie untersuchen verschiedene Techniken, die das erlauben könnten (siehe Infobox). An einer neuen Methode zur Bewegungskompensation arbeitet Dr. Christian Graeff, der die "Medizinische Physik" innerhalb der GSI-Biophysik leitet. "Bisher wurde anhand einer Computertomographie einmal ein Punkteraster für das Abtasten des sich bewegenden Tumors erstellt. Diese Daten wurden dann auf die verschiedenen Bewegungsphasen umgerechnet", erläutert er. "Dabei fehlen aber Daten über die Verdrehung und das Kippen des Tumors durch die Bewegung. Erstellt man stattdessen für jede Bewegungsphase des Tumors ein eigenes Punkteraster, kann die Bestrahlung optimiert werden.


Info-Box - Rescanning

"Wiederholtes Abtasten" - Der Tumor wird mehrfach mit geringen Dosen in verschiedenen Bewegungsphasen bestrahlt. Dabei sollen sich "Hot Spots" und nicht bestrahlte Stellen gegenseitig zu einer homogenen Dosis wegmitteln. Funktioniert dies aber nicht perfekt, könnten nicht bestrahlte Stellen zurückbleiben und der Tumor würde weiterwachsen.


Nötig dafür ist eine vierdimensionale Computertomographie. Die vierte Dimension neben den drei Raumrichtungen ist die Zeit. Die Atembewegung wird in eine Serie von Bildern unterteilt, für jeden Moment wird ein Punkteraster für die Bestrahlung erstellt. Bei der Bestrahlung weiß das Kontrollsystem im Computer, in welcher Phase sich die Atmung gerade befindet und stellt den Beschleuniger so ein, dass die Ionen das passende Punktraster bestrahlen. Den Beweis, dass die Methode funktioniert, haben die Forscher anhand eines Experiments mit dem GSI-Beschleuniger erbracht. Sie haben einen Filmstreifen bestrahlt, der sich auf einem Schlitten hin und her bewegt hat. Das System kompensierte die Bewegung und im Ergebnis war die Dosisverteilung vergleichbar homogen wie wenn der Streifen stillgestanden hätte.


Info-Box - Gating

"Ausblenden" - Die Position des Tumors in einer bestimmten Bewegungsphase, beispielsweise am kurzen Ruhemoment nach dem Ausatmen, wird bestimmt. Nur in diesem Moment wird bestrahlt. Das Gating ist technisch leichter zu realisieren, jedoch dauert die Behandlung länger. Atmet der Patient unregelmäßig oder zu flach, lässt sich der Moment der Bestrahlung nicht mehr eindeutig bestimmen.


Dass Patienten bei einer Behandlung wirklich von der Methode profitieren können, hat Graeff anhand von Tomographiedaten von Lungenkrebspatienten gezeigt. Für die Patienten wurde ein Therapieplan sowohl mit herkömmlicher Technik als auch mit Graeffs 4D-Optimierung erstellt. "Die Rechnungen zeigen, dass der optimierte Plan überlegen ist und eine bessere Behandlung des Patienten ermöglichen würde", sagt Graeff. "Wir hoffen, dass wir in Zukunft damit nicht nur experimentieren, sondern die Technik wirklich den Patienten zur Verfügung stellen können."

Die Ergebnisse sind in der Zeitschrift "Radiotherapy and Oncology" veröffentlicht.


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Bisher werden vor allem Gehirntumore bestrahlt, weil der Kopf fixiert werden kann.
Im Experiment bestrahlter Filmstreifen zur Veranschaulichung von Bewegungskompensation.
Im Experiment bestrahlter Filmstreifen. Ohne Bewegungskompensation (links) zeigen sich zu stark bestrahlte Bereiche (dunkel) und gar nicht bestrahlte Bereich (hell). Durch die Bewegungskompensation (rechts) hingegen ist das Bild vergleichbar zum statischen Fall ganz ohne Bewegung (mittig).
Foto: A. Zschau/GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Bild: Biophysik-Abteilung, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH