Mixed Beams: Neues Verfahren in der Ionenstrahltherapie
In der Ionenstrahltherapie werden Atomkerne in einem Teilchenbeschleuniger (einem Synchrotron) auf hohe Energien beschleunigt und gezielt auf einen Tumor gelenkt. Dort schädigen sie Krebszellen und zerstören das Tumorgewebe. Ein neues, vielversprechendes Verfahren, das gerade erforscht wird, sind sogenannte „Mixed Beams“, die aus zwei unterschiedlichen Ionenarten bestehen: Kohlenstoffkerne zerstören die Tumorzellen, während Heliumkerne gleichzeitig helfen, die Anatomie der Patient:innen zu beobachten. Dafür muss man aber das Mischungsverhältnis von Kohlenstoff und Helium im Strahl sehr genau kennen. Doch wie soll man einen Ionenstrahl gleichzeitig vermessen und für die Therapie verwenden? Forschende der TU Wien und des MedAustron fanden dafür nun eine Lösung, die einen entscheidenden Schritt auf dem Weg zu einer Krebstherapie mit Mixed Beams darstellt [1].
Sicherheitsabstände als Herausforderung bei der Ionenstrahltherapie
Trotz der hohen Präzision der Ionenstrahltherapie bestehen Unsicherheiten, etwa durch kleine Organbewegungen, die die Reichweite des Ionenstrahls und damit die genaue Lage der Energiedeposition beeinflussen können. Um trotz dieser Unsicherheiten eine vollständige Behandlung sicherzustellen, wird um den Tumor ein kleiner Sicherheitsabstand mitbestrahlt. Je kleiner dieser Abstand gewählt werden kann, desto präziser ist die Therapie und desto besser werden benachbarte empfindliche Organe geschont.
Mixed Beams sollen die Präzision verbessern
Um Nebenwirkungen möglichst gering zu halten, wäre es daher ideal, die Reichweite des Ionenstrahls sowie mögliche Reichweitenverschiebungen, beispielsweise durch Organbewegungen, während der Behandlung so präzise wie möglich überwachen zu können. Dafür gibt es die Idee der „Mixed Beams“, bei der Kohlenstoff- und Heliumionen kombiniert werden. Alle Elektronen werden entfernt, die verbleibenden Kohlenstoffkerne haben dann genau dreimal so viel elektrische Ladung wie die Heliumkerne, und sie sind fast exakt dreimal so schwer. „Weil das Verhältnis zwischen Ladung und Masse fast gleich ist, bewegen sich die beiden Ionensorten im Teilchenbeschleuniger auch fast exakt auf derselben Bahn und wir können sie gleichzeitig auf hohe Energien beschleunigen und zu den Patient:innen lenken“, erklärt Elisabeth Renner.
Heliumionen als Werkzeug zur Überwachung der Bestrahlung
Im Gewebe zeigt sich dann aber ein entscheidender Unterschied: Die Heliumionen durchqueren den Körper viel besser – sie können ungefähr den dreifachen Weg zurücklegen. Man kann also einen gemischten Strahl durch den Körper schicken, bei dem die Kohlenstoffionen zur Zerstörung des Tumorgewebes verwendet werden, während die Heliumionen den Körper durchqueren. Anschließend lassen sich die austretenden Heliumionen vermessen. Aus der Restenergie der Heliumionen kann man ableiten, wie weit die Kohlenstoffionen tatsächlich in das Gewebe eingedrungen sind und ob die Bestrahlung wie geplant verläuft. Man kann daraus sogar eine Aufnahme der Organe erstellen, ähnlich wie mit Röntgengeräten oder Computertomographie. So lässt sich noch mehr gesundes Gewebe schonen, insbesondere bei Tumoren in unmittelbarer Nähe empfindlicher Organe.
Messen und Bestrahlen gleichzeitig
„Damit diese Methode funktioniert, muss man allerdings genau wissen und kontrollieren können, wie hoch der Anteil der Kohlenstoff- und der Heliumkerne im Strahl ist“, sagt Elisabeth Renner. Und das ist eine große Herausforderung. Entweder man vermisst den Strahl, oder man verwendet ihn für Bestrahlung. Beides gleichzeitig ist kaum möglich. Das Forschungsteam hat dafür aber nun eine elegante Lösung gefunden. Ganz genau betrachtet hat ein Kohlenstoffkern nicht exakt dreimal so viel Masse wie der Heliumkern, sondern ungefähr 0,065% weniger. Dieser minimale Unterschied führt dazu, dass Kohlenstoff und Helium im Teilchenbeschleuniger auf minimal unterschiedliche Bahnen gezwungen werden.
„Im Beschleuniger wird ständig kontrolliert, ob der Schwerpunkt des Teilchenstrahls auf der vorgesehenen Bahn liegt“, erklärt Elisabeth Renner. „Kommt es zu einer Abweichung, wird die Hochfrequenz des Beschleunigers minimal angepasst. Weil Helium- und Kohlenstoffkerne sich wegen ihres winzigen Massenunterschieds nicht ganz gleich verhalten, hängt diese Frequenzkorrektur vom Mischungsverhältnis ab.“ Wenn man also genau überwacht, welche Frequenz zur Stabilisierung des Strahls nötig ist, kann man daraus auf das Mischungsverhältnis zwischen Kohlenstoff und Helium schließen.
Erfolgreiche Validierung der Methode
„Wir konnten zeigen, dass sich mit dieser Methode der Helium- bzw. Kohlenstoffanteil des Strahls messen lässt, ohne den Strahl zu beeinflussen oder zu unterbrechen. Damit können wir während Experimenten und in der Zukunft möglicherweise auch bei Behandlungen überprüfen, ob der Heliumanteil im Strahl dem gewünschten Wert entspricht. Erst wenn das der Fall ist, soll der Strahl für die Bestrahlung freigegeben werden.“
Quelle:Technische Universität Wien
Literatur:
- (1)
Renner E. et al. Noninvasive ion fraction quantification of dual-species beams in synchrotrons, Phys. Rev. Accel. Beams 29, 093802, DOI: 10.1103/5bxb-lp5d.