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Grundlagen der therapeutischenAnwendung ionisierender Strahlung

(Teil 1: Bestrahlungsgeräte)

Jürgen SalkUniversitätsklinikum Ulm

Klinik für Strahlentherapie

Inhalt der Vorlesung (Teil 1)• Einleitung

– Ziel der Strahlentherapie– Dosisbegriffe und Einheiten– Strahlenarten

• Strahlenquellen in der Therapie– Teletherapie (perkutane Therapie)

• Röntgenröhren• Gammabestrahlungsgeräte• Linearbeschleuniger

– Brachytherapie• Interstitielle und Intrakavitäre Therapie• Afterloading-Technik


– Ziel der Strahlentherapie– Dosisbegriffe und Einheiten– Strahlenarten




Ziel der Strahlentherapie

• Vernichtung der Tumorzellen→ TCP (Tumor Control Probability)

• Schonung von gesundem Gewebe→ NTCP (Normal Tissue Complication Probability)

TCP und NTCP

0

20

40

60

80

100

120

0 10 20 30 40 50

TCPNTCP

Dosis in Gray

Wirk

ung

in %

Nach Holthusen (1936)

TCP und NTCP

0

20

40

60

80

100

120

0 10 20 30 40 50

TCPNTCP

Dosis in Gray

Wirk

ung

in %


„Therapeutisches Fenster“

50

0

20

40

60

80

100

120

0 10 20 30 40 50

TCPNTCPHeilung

TCP, NTCP und Heilung

Dosis in Gray

Wirk

ung

in %


TCP x (1-NTCP)

0

20

40

60

80

100

120

0 10 20 30 40 50

TCPNTCPHeilung


Dosis in Gray

Wirk

ung

in %


„Optimale Dosis“

TCP x (1-NTCP)

0

20

40

60

80

100

120

0 10 20 30 40 50

TCPNTCPHeilung


Dosis in Gray

Wirk

ung

in %

Reduktion um 5 Gy


Ziel der Strahlentherapie

• Möglichst breites Therapeutisches Fenster– Kombination mit Chemotherapie (Radioprotektoren

bzw. Radiosensitizer)– Fraktionierungsschemata (z.B. Hyperfraktionierung)– präzise Lokalisation– Strahlenart– Bestrahlungstechnik

• Applikation der Optimalen Dosis– Klinische Studien– Klinische Dosimetrie

} Bestrahlungsplanung


– Ziel der Strahlentherapie – Dosisbegriffe und Einheiten– Strahlenarten




Dosisbegriffe und Einheiten

Energiedosis D:Absorbierte Energie dividiert durch die Masse desbestrahlten Volumens

Strahlenquelle Körper absorbiertStrahlenenergie(vollständig oderteilweise)

⇒ Erwärmung

EintretendeStrahlungs-energie

AustretendeStrahlungs-energie

mED abs=


Definition einer Kalorie:„Eine Kalorie ist die Energiemenge, die man benötigt, um 1 g Wasservon 14,5 °C auf 15,5 °C bei Normaldruck (1013 hPa) zu erwärmen“

Energiedosis D:Absorbierte Energie dividiert durch die Masse desbestrahlten Volumens

mED abs=

kgkcal0002388,0

kgJ1Gray1 ==

Einheit der Energiedosis:1 Gray = 1Gy


Definition einer Kalorie:„Eine Kalorie ist die Energiemenge, die man benötigt, um 1 g Wasservon 14,5 °C auf 15,5 °C bei Normaldruck (1013 hPa) zu erwärmen“

kgkcal0002388,0

kgJ1Gray1 ==

Strahlungsdosis von 1 Gy bewirkt eineTemperaturhöhung im Gewebe von 0,0002388 °C.

Ganzkörperdosis von 4 Gy entspricht LD50 für denMenschen.

Dosiswirkung beruht nicht auf thermischen Effekten derStrahlung!

⇒

⇒

⇒

Worauf beruht die Wirkung derionisierenden Strahlung?

• Tumorwachstum durch Zellteilung• Strahlung ionisiert Atome in den Zellen• Schädigung der Erbsubstanz im Zellkern (DNA)• Zelle verliert Teilungsfähigkeit

⇒ Zelltod


– Ziel der Strahlentherapie – Dosisbegriffe und Einheiten – Strahlenarten




Strahlenarten• Hochenergetische elektromagnetische Strahlung (Photonen)

→ künstlich erzeugt durch Maschinen (Röntgen- od. Bremsstrahlung)

→ Zerfall radioaktiver Nuklide (γ-Strahlung)

• Geladene Teilchen (Korpuskularstrahlung)

→ Beschleunigung in elektromagnetischen Feldern (z.B. Elektronen, Protonen, schwere Ionen)

→ Zerfall radioaktiver Nuklide (z.B. β-Strahlung, α-Strahlung)

Strahlenarten: Photonen

„Alles-oder-Nichts“-Wechselwirkungen (in erster Näherung)

( ) x0 eIxIdxIdI µ−⋅=⇒⋅⋅µ−=

Das Exponentielle Schwächungsgesetz

Strahlenarten: PhotonenDas Abstandsquadratgesetz (für punktförmige Strahlenquellen)

( )( )

2

1

2

2

1

rr

rrIrrI

===

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

0 5 10 15 20 25 30

Tiefe [cm]

Inte

nsitä

t

Strahlenarten: Photonen

Nur exponentielles Schwächungsgesetz

Mit Abstandsquadratgesetz

SSD = 100 cm

SSD = 10 cm

Strahlenarten: Elektronen„Viele kleine Wechselwirkungen“

⇒ Endliche Reichweite

Strahlenarten: Elektronen„Viele kleine Wechselwirkungen“

• Mittlere Reichweite R

• Praktische Reichweite Rp

• Maximale Reichweite Rmax





– Brachytherapie• Afterloading• Seedimplantation

Konventionelle RöntgentherapieRöntgenröhre (Schema)

Konventionelle RöntgentherapieEntstehung von Röntgenstrahlung

Bremsstrahlung Charakteristische Strahlung

Kontinuierliches SpektrumLinienspektrum

Konventionelle RöntgentherapieSchema einer Weichstrahlröhre

Röhrenspannung: 10 – 50 kV ⇒ Grenzenergie: 10 – 50 keV

1 eV = 1 V × 1.602 × 10-19 C = 1.602 × 10-19 J

Konventionelle Röntgentherapie

RT 100 (Fa. Philips)

Konventionelle Röntgentherapie

RT 100 (Fa. Philips)

Konventionelle RöntgentherapieTiefendosis-Verlauf

Oberflächentherapie

10 - 50 kV

Konventionelle RöntgentherapieTiefendosis-Verlauf

Halbtiefentherapie60 und 150 kV

Tiefentherapie(Orthovolttherapie)

bis ca. 300 kV

→ Telegammageräte bzw. LinearbeschleunigerTiefentherapie




• Röntgenröhren • Gammabestrahlungsgeräte• Linerarbeschleuniger


Die Telekobaltanlage

59Co + n → 60Co + γ

Erzeugung im Kernreaktor:

Radioaktiver Zerfall:60Co → 60Ni* + β−

Halbwertszeit: 5,272 Jahre

60Ni* → 60Ni + γ1 + γ2

Die TelekobaltanlageStrahlerkopf (Schema)

Zylinderförmige Quelle ( 1 - 2 cm ∅ )

Die Telekobaltanlage

Gammatron 3 (Fa. Siemens) Gammatron S (Fa. Siemens)

Die TelekobaltanlageVergleich des Tiefendosisverlaufes: Konventionelle Röntgen-Strahlung und 60Co γ-Strahlung

• Eindringvermögen

• Aufbaueffekt (0.5 cm)




• Röntgenröhren • Gammabestrahlungsgeräte • Linearbeschleuniger


Der Linearbeschleuniger

Beschleunigung eines Elektrons in elektrischem Feld

Grundprinzip

∆E = q × U = e × U

Der LinearbeschleunigerGrundprinzip


∆E = q × U = e × U


∆E = q × U = e × U

∆E = 2 × q × U = 2 × e × U



∆E = 2 × q × U = 2 × e × U


∆E = 2 × q × U = 2 × e × U ∆E = 3 × q × U = 3 × e × U


Elektromagnetische Welle (Mikrowelle): ca. 3000 MHz




Strahlstrom von 100 mA ⇔ 1018 Elektronen pro Sek.

PhotonenstrahlungProzentuale Tiefendosis

PhotonenstrahlungIsodosenvergleich: 60Co γ-Strahlung und 18MV Bremsstrahlung

• Stärkeres Eindringvermögen

• Steilerer Randabfall

• Ausgeprägterer Aufbaueffekt

Wie entsteht der Aufbaueffekt ?

• Photonen erzeugen Sekundärelektronen

• SE bewegen sich in Strahlrichtung

• SE übertragen ihre kinet. Energie

• Überlagerung der Dosisbeiträge

• Dosis nimmt zunächst zu

• Maximum bei mittl. Reichweite der SE

Praktische Bedeutung:

Hautschonung (!!!)

ElektronenstrahlungProzentuale Tiefendosis

⇒ Oberflächennahe Behandlungen





– Brachytherapie• Interstitelle und Intrakavitäre Therapie• Afterloading-Technik

BrachytherapieBrachy (griech.) nah, kurz

Interstitielle Therapie:Strahlenquelle(n) wird direkt in dasBestrahlungsvolumen gebracht

Intrakavitäre Therapie:Strahlenquelle wird über (natürlicheoder künstliche) Körperöffnungen inKontakt oder unmittelbare Nähe desBestrahlungsvolumens gebracht

Ausnutzung des Abstandsquadratgesetzeszur gezielten kleinvolumigen Bestrahlung

Interstitielle Therapie

Verteilung der Seeds nach Applikation(ap-Röntgenbild)

Beispiel: Prostata125I Seeds

Planung der Seedpositionen(Ultraschall)



• Strahlenquellen in der Therapie– Teletherapie


– Brachytherapie• Interstitelle und Intrakavitäre Therapie • Afterloading-Technik

Afterloading-Technik

HDR (High Dose Rate) > 12 Gy/h

⇒ Kurze Bestrahlungszeiten

Strahlenquelle: 192Ir (60Co, 137Cs)


3 mm steel cable

5.0 mm

0.6 mm

3.5 mm

1.1 mm

Active Ir-192 Core

Strahlenquellen Afterloading-TechnikApplikatoren für Gynäkologische Anwendungen

Vaginalapplikator für dieBrachytherapie nachdem Afterloadingverfahren.

Intrauterine gebogene Einkanalsonde mitVaginalzylinder


Filmaufnahme (Filmschwärzung durch γ-Strahlung)

Haltepunkte

Filmmarkierung1 cm


Dosisverteilung bestimmt durchGeometrie des Applikators

Optimierung durch Modifikationder Haltezeiten

Zusammenfassung

Strahlentherapie

Teletherapie Brachytherapie/Afterloading

Photonen Korpuskel

Röntgen

Megavolt

Telekobalt

Elektronen

Protonen,Neutonen,schwere Ionen

Photonen Korpuskel

β-Strahlungγ-Strahlung

Interstitiell Intrakavitär

Permanent Temporär

Zusammenfassung

Strahlentherapie

Teletherapie Brachytherapie/Afterloading

Photonen Korpuskel

Röntgen

Megavolt

Telekobalt

Elektronen

Protonen,Neutonen,schwere Ionen

Photonen Korpuskel

β-Strahlungγ-Strahlung

Interstitiell Intrakavitär

Permanent Temporär

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