A1.2 Externe Photonen-Strahlentherapie

Thema

Der Linearbeschleuniger erzeugt den hochenergetischen Photonenstrahl – entsprechend einer Beschleunigungsspannung zwischen sechs und achtzehn Megavolt –, der die externe Photonentherapie initiiert. Dieser Photonenstrahl durchdringt den Körper des Patienten und deponiert dabei eine Dosis im zu behandelnden Tumorvolumen. Die Dosisverteilung im Körper hängt nicht nur von der Energie des Photonenstrahls, sondern auch vom Strahlungstransport in der Materie ab. Dabei kann jedes Photon im Strahl auf drei Arten mit den Elektronen im Gewebe interagieren: durch Energieabgabe, durch Streuung mit teilweisem Energieverlust (Compton-Streuung) oder durch vollständige Absorption (photoelektrischer Effekt). Die Kombination dieser Photon-Elektron-Wechselwirkungen bestimmt punktuell die Dosisverteilung im Körper des Patienten.

Diese Dosisverteilung im Patienten wurde durch die technologische Weiterentwicklung der externen Photonen-Strahlentherapie mit zunehmender Präzision optimiert: Angefangen bei einfachen rechteckigen Feldern, die ein weites Gebiet bestrahlten, ohne das Tumorvolumen klar vom umgebenden gesunden Gewebe abzugrenzen, ermöglichte die Intensitätsmodulation die punktgenaue Variation der Photonenstrahlintensität innerhalb jedes Feldes. Später erlaubte die Rotationsbogentechnik mit dynamischer Modulation die Rotation des Photonenstrahls um den Patienten bei gleichzeitiger Modulation. Die Technik der Verabreichung sehr hoher Dosen in wenigen Fraktionen mit submillimetergenauer Präzision trieb dieses Prinzip auf die Spitze. Jeder Schritt dieser technologischen Entwicklung führt zu einer höheren Dosiskonzentration im Tumorvolumen und einer geringeren Dosis im umgebenden gesunden Gewebe.

Die Berechnung dieser Dosisverteilung, nicht nur ihre Beschreibung, ist durch ein zentrales Prinzip möglich: Die Dosis, die jeder Punkt im Gewebe empfängt, ergibt sich aus der Kombination des auf diesen Punkt treffenden Photonenflusses mit einem festen Muster, das die Energieverteilung um jedes interagierende Photon beschreibt – eine Kombination, die in der Physik als Faltung bekannt ist. Daher genügt die Kenntnis des Photonenflusses und dieses Depositionmusters, um die Dosis an jedem Punkt im Patienten vorherzusagen. Die Behandlungsplanung folgt diesem umgekehrten Prinzip: Anstatt vom Photonenfluss auszugehen, um die Dosis zu bestimmen, beginnt die inverse Optimierung des Plans mit der Wahrscheinlichkeit der Tumorkontrolle und der Wahrscheinlichkeit von Komplikationen im gesunden Gewebe, die durch die Behandlung angestrebt werden. Aus diesen beiden Zielgrößen wird der Photonenfluss berechnet – segmentweise verteilt im Multilamellenkollimator, der den Photonenstrahl formt –, der zur Erzeugung dieser Dosisverteilung erforderlich ist. So wird der Zusammenhang zwischen Photonenfluss und der von diesem Fluss bestimmten Dosis hergestellt.

Zusammengenommen ermöglicht dieser Prozess – vom Linearbeschleuniger zum Photonenstrahl, von dort zum Transport der Strahlung im Körper des Patienten und von dort zur berechneten und anschließend optimierten Dosisverteilung mit dem Multilamellenkollimator – der externen Photonentherapie, ihren Zweck zu erfüllen: die Photonenstrahldosis mit zunehmender Präzision im Tumorvolumen zu konzentrieren – bis hin zum Submillimeterbereich, der mit den neuesten Techniken erreicht wird – und gleichzeitig die Dosis zu minimieren, die das gesunde Gewebe um den Tumor herum erhält.

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