Strahlentherapie für bewegliche Ziele

Normales Gewebe gerät bei der Strahlentherapie oft ins Kreuzfeuer. Schäden werden durch die hochenergetischen Strahlenbündel verursacht, mit denen Tumorgewebe abgetötet wird – insbesondere wenn die Atmung des Patienten zu einer Verschiebung des Tumors führt.



Seltsames Paar: Ein Prototyp eines Geräts kombiniert einen Magnetresonanztomographen mit einem Linearbeschleuniger, zwei Technologien, die sich normalerweise gegenseitig stören. Die einander zugewandten blauen Zylinder sind die Abbildungsmagnete. Der links hinten sichtbare Metallkreis ist ein Magnet- und Strahlungsschild, der den Wellenleiter des Beschleunigers schützt.

Um die Position eines Tumors in Echtzeit besser zu verfolgen und die Strahlung entsprechend anzupassen, haben Forscher der University of Alberta in Kanada einen Linearbeschleuniger mit einem Magnetresonanztomographen kombiniert. Heute in Anaheim, CA, im jährliches Treffen der American Association of Physicists in Medicine werden Forscher Beweise dafür vorlegen, dass ein Gerät, das diese Technologien kombiniert, ein sich bewegendes Ziel genau verfolgen und bestrahlen kann.





Die Strahlentherapie nutzt hochenergetische Röntgenstrahlen eines medizinischen Linearbeschleunigers, um Tumorgewebe zu schädigen und nahezu jede Krebsart zu behandeln. In den Vereinigten Staaten erhält die Hälfte aller Krebspatienten diese Behandlungsform, die typischerweise 10 bis 15 Sitzungen mit einer Dauer von jeweils etwa 15 bis 30 Minuten erfordert. Um sicherzustellen, dass der gesamte Tumor bestrahlt wird, müssen die Ärzte einen Rand gesunden Gewebes um ihn herum bestrahlen, was zu Nebenwirkungen wie Übelkeit, Schmerzen und Schäden des Hautgewebes führt. Zwischen den Sitzungen regeneriert sich das gesunde Gewebe, der Tumor jedoch nicht. Eine Möglichkeit, die Nebenwirkungen zu minimieren, besteht darin, die Strahlendosis zu senken und die Anzahl der Sitzungen zu erhöhen, manchmal auf bis zu 35.

Wir möchten die Margen verkleinern und die Strahlendosis erhöhen, um den Tumor ohne Nebenwirkungen besser kontrollieren zu können, sagt Gino Fallone , Direktor der Abteilung für medizinische Physik an der Abteilung für Onkologie der University of Alberta.

Eine weitere Herausforderung stellt die Tumorbewegung während der Behandlung dar. Insbesondere Tumoren in der Lunge und der Prostata können sich während der Behandlung um etwa zwei Zentimeter bewegen. Die aktuelle Strahlentherapie begegnet dieser Herausforderung, indem sie die Strahlenquelle mit einer Computertomographie (CT) kombiniert. Dies hilft Ärzten, Schäden an gesundem Gewebe zu reduzieren, aber CT-Scans sind nicht sehr gut darin, weiches Tumorgewebe zu zeigen, und sie sind zu langsam, um die Tumorbewegung in Echtzeit zu verfolgen. Fallones Gruppe hat sich der Magnetresonanztomographie (MRT) zugewandt, die scharfe Bilder von Weichteilen wie Tumoren liefert, in der Hoffnung, es besser zu machen.



Bislang war es nicht möglich, die MRT zur Steuerung der Strahlentherapie einzusetzen. Denn MRT-Geräte und Linearbeschleuniger, die hochenergetische Röntgenstrahlen für die Strahlentherapie liefern, stören sich gegenseitig. Die MRT verwendet einen starken Magneten und Pulse von Hochfrequenzwellen, um ein Signal von Protonen in den Wassermolekülen im Weichgewebe des Körpers anzuregen und zu lesen. Auch medizinische Linearbeschleuniger verwenden Hochfrequenzpulse, um in ihrem Fall Elektronen durch einen Wellenleiter auf ein metallisches Target zu beschleunigen. Wenn die Elektronen das Target treffen, kommen hochenergetische Röntgenstrahlen auf der anderen Seite heraus; diese Röntgenstrahlen werden dann auf Tumorgewebe gerichtet. Wenn sich diese beiden Geräte im selben Raum befinden, interferiert das Magnetfeld des MRT mit dem Wellenleiter und verhindert so die Beschleunigung der Elektronen, und die Hochfrequenzimpulse des Linearbeschleunigers stören das Magnetfeld des Imagers, wodurch die Bildqualität beeinträchtigt wird.

Um die Technologien zu kombinieren, mussten die Forscher aus Alberta beide Komponenten neu entwickeln. Die ganze Maschine sei anders konstruiert, sagt Fallone. Es wird eine spezielle Abschirmung verwendet. Und statt wie bei der klinischen MRT ein von supraleitenden Drahtspulen erzeugtes hochstarkes Magnetfeld zu verwenden, verwendet das Gerät einen schwachen Permanentmagneten. Der schwache Magnet stört den Beschleuniger viel weniger und ist kleiner und kostengünstiger im Betrieb. Im Dezember dieses Jahres veröffentlichte Fallones Gruppe die Ergebnisse von Bildgebungsstudien, die zeigten, dass es möglich war, MRT-Bilder zu erstellen, während der Linearbeschleuniger störungsfrei betrieben wurde.

Der schwache Magnet stellt jedoch eine andere Herausforderung dar: Die Bildqualität ist viel geringer. Forscher der Stanford University arbeiten daher an Computermethoden, um aus diesen niedriger aufgelösten Bildern die notwendigen Informationen zu gewinnen. Die diagnostische MRT erfordert eine sehr hohe Bildqualität, aber für die Strahlentherapie müssen Sie den Tumor nicht in exquisiten Details sehen, sagt Amit Sawant , Dozent für Radioonkologie an der Stanford School of Medicine. Sie können es sich leisten, das Signal [Bild] zu verlieren und trotzdem genügend Informationen zu erhalten, um zu wissen, wann sich der Tumor bewegt. Wichtig bei der Strahlentherapie sind laut Fallone die Ränder des Tumors.

Fallone und Sawant werden auf der Konferenz in Anaheim erste Ergebnisse von Studien zur Bildverfolgung präsentieren, die mit dem Prototyp des kombinierten Geräts durchgeführt wurden. Sawants Gruppe wird eine Bildgebungssoftware beschreiben, mit der das Gerät fünf zweidimensionale MRT-Bilder pro Sekunde aufnehmen kann – viel schneller als herkömmliche MRT. Die Stanford-Forscher erhöhten die Bildgebungsgeschwindigkeit, indem sie den Bildgebungsbereich verkleinerten und eine Technik namens Compressive Sensing verwendeten. Beim Speichern von Bildern werden etwa 90 Prozent der Daten verworfen; Mit Compression Sensing ist es überhaupt möglich, nur die wichtigsten 10 Prozent der Bilddaten zu erfassen.



Fallone wird Ergebnisse präsentieren, die belegen, dass eine solche Echtzeitführung verwendet werden kann, um den Röntgenstrahl des Prototypgeräts umzuleiten. Für die Bildführung steht bisher nur CT zur Verfügung, sagt Bhadrasain Vikram , Leiter der Abteilung für klinische Radioonkologie des Radiation Research Program des National Cancer Institute. Es ist aufregend, dass [MRT] verfügbar wird, um zu fragen, ob es genauere Informationen liefern kann. Eine bessere Anleitung für die Strahlentherapie, sagt Vikram, könnte die Behandlungen beschleunigen oder sogar einige Krebsarten heilen, die Sie heute nicht heilen können.

Doch bevor das System an Patienten getestet werden kann, warnen die Forscher, dass der Bildaufnahmeprozess noch beschleunigt werden muss, damit 3-D-Bilder erstellt werden können. Das Gerät muss auch an Tieren getestet werden. Fallone schätzt, dass menschliche Tests mindestens fünf Jahre entfernt sind.

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