Computertomographie mittels Ionen
 

Die für die Ionentherapie notwendige Bestrahlungsplanung basiert auf genauen Kenntnissen über das Gewebe und dessen Zusammensetzung, das die Ionen auf dem Weg zum Tumor durchqueren müssen und dabei abgebremst werden bzw. Energie verlieren. Derzeit wird das für die Teilchentherapieplanung benötigte Bremsvermögen mithilfe einer Computertomographie, die Röntgenstrahlung nutzt, ermittelt. Für die konventionelle Strahlentherapie, die ebenfalls auf Photonen basiert, ist diese Information ausreichend. Die in der Teilchentherapie verwendeten Ionen folgen jedoch gänzlich anderen physikalischen Gesetzmäßigkeiten. Eine Schätzung des Bremsvermögens bzw. des Energieübertrags für geladene Teilchen, die auf Photonen basiert, führt zu Fehlern in der Reichweite der Ionen im Gewebe. Diese müssen durch größere Sicherheitsmargen in der Bestrahlungsplanung kompensiert werden. Dies führt letztlich zu einer unerwünscht höheren Strahlendosis in gesundem Gewebe in der Umgebung des bestrahlten Tumors.

Der Energieübertrag kann auch mithilfe eines Ionenstrahls (zum Beispiel Protonen, Kohlenstoff- oder Heliumionen) direkt abgeschätzt werden. Dazu wird der Strahl durch den Körper gelenkt und seine Position (Tracking) sowie seine Energie (Kalometrie) beim Austritt aus dem Körper gemessen, wie in der unten dargestellten Abbildung zu sehen ist.

Ionen mit einer definierten Energie E durchqueren ein Objekt und verlieren dabei einen Teil ihrer Energie ΔE. In einem speziellen Detektor werden sie gestoppt und ihre Restenergie (E - ΔE) gemessen.

Die gemessenen Positionen und Energien des Ionenstrahls werden verwendet, um mithilfe geeigneter Algorithmen ein dreidimensionales Bild der Energieübertragung des Protonenstrahls im Körper zu rekonstruieren. Erste Messungen mit einem Tomographie-System wurden bereits am MedAustron durchgeführt. Aus den gemessenen Daten konnte ein 3D-Bild eines kleinen Würfels mit Stufen (Stufenphantom) rekonstruiert werden. Der experimentelle Aufbau am MedAustron und das rekonstruierte Bild sind in den unten stehenden Abbildungen dargestellt.

Mikrodosimetrie

Die Protonen- und Ionenstrahltherapie hat sich weltweit in immer mehr Einrichtungen als Methode zur Krebsbehandlung etabliert und ist seit 2016 auch bei MedAustron in Österreich verfügbar.

Die Bestimmung der Dosis für das bestrahlte Gewebe ist ein wesentlicher Bestandteil jeder Ionentherapie. Derzeit wird die während des Bestrahlungsprozesses abgegebene Dosis meist als deponierte Energie pro Masseneinheit angegeben. Dabei handelt es sich jedoch um eine makroskopische Größe, die keine Informationen über die Wechselwirkungen auf zellulärer Ebene liefert, wo die Energiedeposition heterogen ist, beispielsweise in Form von Teilchenspuren von Ionenstrahlen. Daher werden bei MedAustron Forschungen zur Charakterisierung der Energiedeposition auf mikroskopischer Ebene mithilfe von Mikrodosimetern durchgeführt. Dabei handelt es sich um Strahlungsdetektoren, bei denen das empfindliche Volumen eine Größe von wenigen Mikrometern hat, um Zellkerne zu simulieren. Silizium- und Diamant-Mikrodosimeter sowie gasgefüllte, gewebeäquivalente Proportionalzähler werden regelmäßig eingesetzt und in einem laufenden, gemeinsamen Forschungsprojekt bei MedAustron untersucht. Diese Studien sollen nun um Detektoren auf Siliziumkarbid-Basis erweitert werden.