Strahlentherapie -- Grundlagen · 2018-07-02 · 3D konformal. 22.06.2017 33 65 IMRT 0 20 40 60 80...
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22.06.2017 1 Klinik für Strahlentherapie Strahlentherapie -- Grundlagen Florian Cremers Klinik für Strahlentherapie Campus Lübeck [email protected] 22.06.2017 Fallbeispiel • 65 J. Patientin, pensioniert, – Verheiratet, 2 erwachsene Töchter (32, 36 Jahre) – Durch eigenes Ertasten Verdacht auf Knoten – Keine Schmerzen – Mutter mit 66 Jahren an Brustkrebs erkrankt • Erste Untersuchung durch Gynäkologin – Anamnese: keine familiäre Prädisposition – Abtasten bestätigt Verdacht auf Knoten – Lymphknoten in der Achselhöhle sind unauffällig – Überweisung in eine spezialisierte Radiologie • Mammographie • Ultraschall: Knoten mit Durchmesser 1,5 cm – Überweisung in die Pathologie • Biopsie • Analyse der Stanzbiopsie: mäßig differenziertes invasives Karzinom • Brusterhaltende Operation
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Klinik für Strahlentherapie
Strahlentherapie -- Grundlagen
Florian CremersKlinik für StrahlentherapieCampus Lü[email protected]
22.0
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Fallbeispiel
• 65 J. Patientin, pensioniert,– Verheiratet, 2 erwachsene Töchter (32, 36
Jahre)– Durch eigenes Ertasten Verdacht auf Knoten– Keine Schmerzen– Mutter mit 66 Jahren an Brustkrebs erkrankt
• Erste Untersuchung durch Gynäkologin– Anamnese: keine familiäre Prädisposition– Abtasten bestätigt Verdacht auf Knoten– Lymphknoten in der Achselhöhle sind
unauffällig– Überweisung in eine spezialisierte Radiologie
• Mammographie• Ultraschall: Knoten mit Durchmesser 1,5 cm
– Überweisung in die Pathologie• Biopsie• Analyse der Stanzbiopsie: mäßig differenziertes
invasives Karzinom
• Brusterhaltende Operation
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Fallbeispiel
• 65 J. Patientin, pensioniert,– Verheiratet, 2 erwachsene Töchter (32, 36
Jahre)– Durch eigenes Ertasten Verdacht auf Knoten– Keine Schmerzen– Mutter mit 66 Jahren an Brustkrebs erkrankt
• Erste Untersuchung durch Gynäkologin– Anamnese: keine familiäre Prädisposition– Abtasten bestätigt Verdacht auf Knoten– Lymphknoten in der Achselhöhle sind
unauffällig– Überweisung in eine spezialisierte Radiologie
• Mammographie• Ultraschall: Knoten mit Durchmesser 1,5 cm• Biopsie
– Überweisung in die Pathologie• Analyse der Stanzbiopsie: mäßig differenziertes
invasives Karzinom
• Brusterhaltende Operation � Tumorstaging– Mammakarzinom: T1, N0, M0
• Therapie– Strahlentherapie: Senkung des Rezidiv-Risikos
Mammographie und Strahlentherapie: wie funktioniert es?
• Ionisierenden Strahlen (Röntgenstrahlen) werden im Gewebe absorbiert
• Diagnostik:
− Bildkontrast durch Unterschiede in der Absorption in gesundem Gewebe und Tumor
• Therapie:
− Abtötung der Tumorzellen durch Absorption im Gewebe (Ionisationen � Zellschäden)
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Grundprinzip der Strahlentherapie
• Brusterhaltende Chirurgie (BCS) + kurative Strahlentherapie (RT)
Üb
erle
ben
(%
)
Lancet 2011; 378, 1707-16
Grundprinzip der Strahlentherapie beim Mamma-Karzinom
• Gezieltes Abtöten aller Tumorzellen
• Maximale Schonung des Normalgewebes– Herz– Lunge
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• Röntgenstrahlen durchdringen ein Medium und können mit den Atomen wechselwirken:
•
Photon
pn
n
np
p
pn
p p
nProtonp Neutron Elektron
Wechselwirkung der Röntgenstrahlen mit Materie
Ein Elektron wird aus dem Atom entfernt ���� Ionisation
Photon
pn
n
np
p
pn
p p
pn
nnp
p
pn
p p
primäre Ionisation (5%)
sekundäre Ionisation (95%)
nProtonp Neutron Elektron
Die Besonderheit ionisierender Strahlung
Viele Elektronen werden aus den Atomen entfernt ���� Ionisation
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Grundprinzip der Strahlentherapie
• Gezieltes Abtöten aller Tumorzellen– Durch Ionisation
pn
n
n
p
p
pn
p p
pn
nnp
p
pn
p p
primäre Ionisation (5%)
sekundäre Ionisation (95%)
Photon
Grundprinzip der Strahlentherapie
• Gezieltes Abtöten aller Tumorzellen– Durch Ionisation– Ionisation führt zu DNA-Schäden
• Doppelstrangbrüche!!! 1000 / Gy
3000 / Gy
200 / Gy
300 / Gy
150 / Gy
40 / Gy
→→→→ Aufbrechen kovalenter Bindungen
Röntgen-strahlung(Photon)
Ionisation
!!!
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�Ionisation der DNA
�Erzeugung von Doppelstrangbrüchen
�Reparatur von Doppelstrangbrüchen
�Lethale Chromosomenaberrationen
�Zellinaktivierung
�…
�Tumorinaktivierung
Röntgen-strahlung(Photon)
Ionisation
Grundprinzip der Strahlentherapie
Murine tumour AT 17
Steiler Anstieg der lokalen Kontrolle innerhalb eines kleinen Dosisbereichs
Zellkultur
Mausmodell
Klone überlebenderZellen nach Bestrahlung
Dosis-Effekt Kurven: in vitro und in vivo
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Fraktionierungseffekt beim Rückenmark der Ratte
Tumorkontrolle versus Strahlenschäden
Bild modifiziert nach:Holthusen H: Erfahrungen über die Verträglichkeitsgrenze für Röntgenstrahlen und deren Nutzanwendung. Strahlentherapie 1936; 57:254-269.
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Ziel
Den Tumor ausreichend mit Dosis versorgen,das andere Gewebe optimal schonen.Den Tumor ausreichend mit Dosis versorgen,das andere Gewebe optimal schonen.
s. StrlSchV § 81 Abs. 3
Bestrahlung
Tomotherapie Linearbeschleuniger (Linac)
Tomotherapie TrueBeam
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LinearbeschleunigerBestrahlungstechnik Grundlagen
• Linearbeschleuniger CLINAC2100 DHX (clinical linear accelerator)
• verschiedene Strahlenarten und Energien– Photonen: 6 MV X und 18 MV X– Elektronen: 6 MeV, 9 MeV, 12
MeV, 16 MeV, 20 MeV
� Kollimation durch X- und Y- Blende� X: crossplane� Y: inplane
� Viel-Lamellen-Kollimator(MultiLeaf Collimator, MLC)� 120 Lamellen
� der MLC passt den Behandlungsstrahlan die individuelle Geometrie an
Linearbeschleuniger - MLCBestrahlungstechnik Grundlagen
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Linearbeschleuniger - MLCBestrahlungstechnik Grundlagen
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� Feldgröße: 40 x 40 cm²
� zentrales 20 cm Feld: 5 mm leaf Breite
� äußeres 2 x 10 cm Feld: 10 mm leaf Breite
(alle Größen im Isozentrum angegeben)
beam and dose profilesphotons: 6 X and 18 X
Linear AcceleratorRadiation Equipment Basics
6 X
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� dynamische Keilfilter10°, 15°, 20°, 25°, 30°, 45°, 60°
photon beam
festeBlende
Feld-größe
dynamischgenerierterKeil
beweglicheBlende
beam Profil
3D-konformale Bestrahlung
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� Wedge filter profile
Linear Accelerator - WedgesRadiation Equipment Basics
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• Bestrahlungstisch (PSA, patient support assembly)
• vert. Position• lat. Position• long. Position• Rotation
• Positionierung im Raum mittels Raumlaser (X, Y, Z)
Patientenlagerung, -immobilisierungBestrahlungstechnik Grundlagen
Patientenlagerung, -immobilisierungBestrahlungstechnik Grundlagen
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Patientenlagerung, -immobilisierungBestrahlungstechnik Grundlagen
• 3D- bzw. 4D-Computertomogramm• Grundlage für Bestrahlungsplanung
Planungs-CTBestrahlungstechnik Grundlagen
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� Tomographie (griech. „tomos“ = Schicht und „graphin“ = schreiben)� Die CT ist die rechnergestützte Auswertung einer Vielzahl aus
verschiedenen Richtungen aufgenommener Röntgenaufnahmen eines Objekts, um ein 2D/3D - Bild zu erzeugen
Computertomographie CT
Onkologische Volumina nach ICRU
GTVCTV
ITV
• Tumorvolumen (TV)
• Klinisches Zielvolumen (kZV)
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Tumorbeweglichkeit
Tumorbeweglichkeit
Quelle: H. Handels, J. Ehrhardt, R. Werner,Institut für Medizinische Informatik, Universität zu Lübeck
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Onkologische Volumina nach ICRU
PTV
GTVCTV
ITV
• Tumorvolumen (TV)
• Klinisches Zielvolumen (kZV)
• Planungszielvolumen (PZV)
Onkologische Volumina
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Beispiel: Rezidiv eines Glioblastoms
CT
Beispiel: Rezidiv eines Glioblastoms
MR
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Beispiel: Rezidiv eines Glioblastoms
CT withGTV and PTV
Beispiel: Rezidiv eines Glioblastoms
Overview
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Beispiel: Rezidiv eines Glioblastoms
3D view
Ziel der physikalischen Bestrahlungsplanung
Individuell angepasster BestrahlungsplanIndividuell angepasster Bestrahlungsplan
� Aufgabe des Medizinphysikers
� Dosis an Normalgewebe oder Risikoorgane minimieren
� Auswahl der optimalen Bestrahlungstechnik
� Optimierung des Bestrahlungsplan individuell für jeden Patienten
� Umschließung des PTV mit 95% bis 107 % der
verschriebenen Dosis (ICRU Richtlinie)
� ALARA Prinzip für Risikoorgane berücksichtigen!!!
„As Low As Reasonably Achievable“
PTV
GTVCTV
ITV95%
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Beispiel Mamma-Karzinom
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Colourwash-Darstellung unterschiedlicher Felder
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Beispiel: Rezidiv eines Glioblastoms
Planevaluation (Dosis-Volumen-Histogramm DVH)
? %
20%
20 Gy20 Gy
20 %
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Dosis-Volumen-Histogramm (Mamma + Supra)
Dosis [%]
Vol
umen
[%]
0
100
0 100
Risikoorgan (OAR)Zielvolumen(PTV)
20 %
20 Gy
Dosis-Volumen-Histogramm (Mamma + Supra)
Dosis [%]
Vol
umen
[%]
0
100
0 100
Risikoorgan (OAR)Zielvolumen(PTV)
20 %
20 Gy
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Bronchial Carcinom3D-konformale Bestrahlung
� bronchial carcinoma – treatment planning
Grundprinzip der Strahlentherapie beim Mamma-Karzinom
• Gezieltes Abtöten aller Tumorzellen
• Maximale Schonung des Normalgewebes– Lunge– Herz– durch Fraktionierung– durch optimale Dosisverteilung!!!
50Gy
0Gy
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Grundprinzip der Strahlentherapie beim Mamma-Karzinom
• Gezieltes Abtöten aller Tumorzellen
• Maximale Schonung des Normalgewebes– Lunge– Herz– durch Fraktionierung– durch optimale Dosisverteilung!!!– durch Atemtriggerung
Ausatmen Einatmen
Grundprinzip der Strahlentherapie beim Mamma-Karzinom
• Gezieltes Abtöten aller Tumorzellen
• Maximale Schonung des Normalgewebes– Lunge, Herz– durch Fraktionierung– durch optimale Dosisverteilung!!!– durch Atemtriggerung
50Gy
0Gy
0%
100%
ZeitBeam On
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Herzschonung durch Bestrahlung in tiefer Inspiratio n
Herz (frei Atmung)Herz (DIBH)
Vergleich der Dosisverteilungen bei Bestrahlung der linken Brustin freier Atmung (Abb.li ) sowie in DIBH ( Abb.re )
Intensitätsmodulierte Radiotherapie (IMRT)
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Klinische Motivation
Warum IMRT?
• Bestrahlung von Tumoren mit konkaven Einbuchtungen
• Tumore, die um ein Risikoorgan (organ at risk / OAR) herumwachsen
• Beispiele für OARs:– Rektum (z.B. beim Prostatakarzinom)– Rückenmark (z.B. Lymphome)– Augen (z.B. Meningeome)
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Erstes IMRT paper ( ���� Rotations-IMRT)
Doughnut-förmiges PTV (Planning Target Volume)
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Lösung für eine homogene Dosisverteilung ���� IMRT
Intensity Modulation"Classical" Conformation
Konventionelle 3D-CRT vs. IMRT
TreatedVolume
Tumor Tumor
OAR
TargetVolume
TreatedVolume
OAR
Target Volume
Collimator
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Wie erhalten wir einen IMRT-Plan ?
"Conventional" Planning
Konventionelle Planung
TreatedVolume
OAR
Target Volume
Collimator
TreatedVolume
OAR
Target Volume
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Probleme bei der Vorwärtsplanung
• Zu viele Möglichkeiten und zu wenig Zeit des Planers
• Geringe Wahrscheinlichkeit den optimalen Bestrahlungsplan durch „trial-and-error“ zu erhalten
• Wenn ein akzeptabler Plan gefunden wurde– keine Garantie, dass es der beste Plan ist
– keine Präzision im Vergleich zum optimalen Plan
• Qualität und Erfahrung des Planers spielen eine entscheidende Rolle
Inverse Planning"Conventional" Planning
Konventionelle vs. Inverse Planung
TreatedVolume
OAR
Target Volume
Collimator
TreatedVolume
OAR
Target Volume
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Zusammenfassung inverse Planung
• Fluenzmodulierte Strahlentherapie (IMRT) verwendet inhomogene Strahlfluenzen aus verschiedene Strahlrichtungen
• „Inverse Planung“: Berechnung der Fluenzen, die die gewünschte räumliche Dosisverteilung ergeben
• „Inverse Planung“ ist ein Optimierungsproblem (lösbar z.B. mit Technik des Simulated Annealing)
IMRT Sequenz
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Beispiel: Tonsillen-Karzinom
� TU + LAW ohne Supra:� 60Gy (ED 2 Gy)
� Supra:� 50Gy (ED 2 Gy)
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3D konformal
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65
IMRT
0
20
40
60
80
100
3D conformal RT IMRT
%
Xerostomia grade 2-3
0
20
40
60
80
100
3D conformal RT IMRT
%
Xerostomia grade 2-3
Rades et al., Oral Oncol 2007Rades et al., STO 2008
HNO-Tumor - NebenwirkungenIMRT - VMAT
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Linac-basierte Rotations-IMRT (VMAT)
Klinik für Strahlentherapie
Vielen Dank für die Aufmerksamkeit !
![(Rades VL MIW 2017 Stud [Kompatibilitätsmodus])...Rades et al., STO 2008 Dziggel et al., STO 2013 Radiochirurgie: Ergebnis nach 12 Jahren vor SRS 12 Jahre nach SRS R R Nieder & Rades,](https://static.fdokument.com/doc/165x107/5facddd692e7d02f470594fe/rades-vl-miw-2017-stud-kompatibilittsmodus-rades-et-al-sto-2008-dziggel.jpg)
