Title: 1. Abschnitt: Strahlentherapie
Course: Geladene Teilchen in E-Feldern (11/12) > Section: Geladene Teilchen in elektrischen Feldern

In dieser Lektion sollen Sie die Anwendung der Physik in der Strahlentherapie kennenlernen.

Lernziele und Vorgehensweise

Lernziele:

Am Ende dieses Abschnitts sollen Sie folgende Kompetenzen haben:

1. Die Therapieformen zur Zerstörung von Tumoren kennen.
2. Die Strahlentherapie durch Rötgenstrahlung und mit Ionen unterscheiden können.
3. Die Anwendung geladener Teilchen in der Medizin beschreiben können.
4. Grundlegende physikalische Verfahren zur Herstellung von geladenen Teilchen kennen.

Vorgehensweise:

  - Sie werden diesen Abschnitt durcharbeiten.
  - Sie bearbeiten auch die Verständnisfragen zu diesem Abschnitt.
  - Sie erhalten zu jeder Lösung einer Aufgabe sofort ein Feedback damit Sie Ihr Verständnis bzw. Ihre Kompetenz selber überprüfen und ggf. verbessern können.
  - Sie sollen sich eigene Aufzeichnungen anfertigen, die aussagekräftig sein sollen und für Sie eine Lerngrundlage für spätere Klausuren, Tests oder Abfragen schaffen.
  - Denken Sie dabei noch an Fotos, Tabellen oder sonstige Bilder. Diese können Sie dann später in Ihre Datei einfügen.

Einleitung

Physikalische Verfahren in der Medizin

Die nebenstehende Abbildung zeigt eine Ganzkörperaufnahme von einer weiblichen Patientin im Rahmen einer Tumordiagnose. An der Leber zeigen die roten Bereiche deutlich Tumore an.
Bildquelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:PET-MIPS-anim.gif von Jens Maus (http://jens-maus.de/), CC0 1.0 Universell (CC0 1.0).

Schwere Erkrankungen und ihre Folgeerscheinungen werden nicht selten durch Tumore hervorgerufen, wie sie zum Beispiel beim Krebs auftreten. Glücklicherweise erweist sich nicht jede gesundheitliche Beeinträchtigung als Folge von Tumoren.

Erhärten sich aber die Verdachtsfälle, wird in der Medizin oft auf moderne Diagnosemethoden zurückgegriffen wie zum Beispiel die Kernspintomografie (MRT), um Tumore zu identifizieren.

Die folgenden Seiten werden Ihnen einen Einblick darüber geben, wie es heute durch moderne Therapieverfahren gelingen kann, diese Tumore zu zerstören.

Das hier speziell vorgestellte Verfahren beruht ganz auf physikalischen Grundlagen und ist nach und nach aus den Laboren der Physikerinnen und Physiker in den Status der technischen Realisierung übergegangen. Anschließend wurden diese Methoden bis zur Anwendung in der heutigen Medizin weiterentwickelt.

Als roter Faden im Verlauf auch der folgenden Kapitel dieses Kurses ist vorgesehen, dass Sie

1. die Vorteile einer Strahlentherapie und zwar besonders die der Strahlen mit Ionen erkennen.
2. alle physikalischen Teilschritte zur Vorbereitung einer Behandlung durch Ionenstrahlen verstehen und nachvollziehen können.
3. die Einflüsse aller einstellbaren physikalischen Größen auf den Ionenstrahl kennen und auch berechnen können.
4. mit den zuvor erarbeiteten Kenntnissen schließlich in der Lage sind, bei gegebenen Randbedingungen für die Versuchsapparatur, die experimentellen Parameter der Apparatur so einzustellen, dass ein genau lokalisierter Tumor auch zerstört werden könnte.

Überblick über die Ionenstrahltherapie

Einen guten Überblick über den Nutzen und die Vorteile der Ionenstrahltherapie gibt das kurze Video auf youtube:

"Ionentherapie einfach erklärt" vom 27.10.2020

Öffnen Sie dazu den folgenden Link auf die Videoquelle:  Videoquelle: www.medaustron.at, Video © Mediaplanet, https://www.youtube.com/watch?v=bnVabD93PHY

Bestrahlung des Tumors

Die räumliche Ausdehnung des Tumors erfordert, dass die Strahlung gezielt und definiert abgelenkt wird. In Abbildung 6 wird am Beispiel von Ionenstrahlung der Strahl sowohl in der horizontalen, als auch in der vertikalen Richtung so abgelenkt, dass er die gesamte Tumorfläche überstreicht. Die "Dipole" können unter Umständen geladene Kondensatorplatten sein.

Die Bestrahlung muss daher leisten können, dass die Ionen in der horizontalen und der vertikalen Richtung gezielt ablenkbar sind.

Die Tiefe des Tumors

Bei den Untersuchungen zur schädigenden Wirkung von geladenen Teilchen auf Gewebe wurde zur besseren Vergleichbarkeit stattdessen immer Wasser verwendet. Da Gewebe sehr viel Wasser enthält, ist Wasser als Modell sehr gut brauchbar. Die energieabgebende Wirkung von ionisierender Strahlung an Gewebe wird Dosis genannt.

Einen Strahl seitlich ablenken zu können ist zwar eine Voraussetzung der Methode, jedoch reicht das nicht aus. Denn wie kann man einen Strahl so manipulieren, dass dessen Wirkung - das heißt, dessen Energieabgabe an die kranken Zellen - genau in der erforderlichen Gewebetiefe stattfindet?

Um dieser Frage nachzugehen, hat man die Energieabgabe verschiedener Strahlungsarten an Wasser untersucht.

Die Abbildung 3 zeigt den Verlauf der relativen Dosis (auf 100% normiert) von Elektronen-, Protonen-, Kohlenstoffionen- und Röntgenstrahlung mit zunehmender Eindringtiefe ins Wasser. Danach steigt die Dosis der ionisierenden Strahlung zunächst mit zunehmender Eindringtiefe in jedem Fall an, um dann nach einem Maximum wieder abzunehmen. Am Maximum des Verlaufs ist die höchste Wirkung erreicht. In dieser Wassertiefe (Gewebetiefe) findet die größte Energieabgabe an die Zellen und damit auch die größte Schädigung der Zellen statt.

Ziel der Strahlentherapie ist es, das erkrankte Gewebe abzutöten und dabei gesundes Gewebe möglichst wenig zu schädigen. Häufig wird dazu die Röntgenstrahlung eingesetzt. Diese hat jedoch den Nachteil, dass sich die Strahlung nach Abbildung 3 mit steigender Eindringtiefe ins Gewebe nur wenig abschwächt. Das hat aber zur Folge, dass auch gesunde Zellen geschädigt werden.

Im Gegensatz zur Röntgenstrahlung geben z.B. Elektronen ihre Energie in einem schmaleren Tiefenbereich an die Gewebezellen ab. Das trifft aber besonders deutlich auf die Protonen und positiv geladenen Kohlenstoffatome (C-Ionen) zu. Bei diesen Ionen ist die wesentliche Energieabgabe auf einen sehr kleinen Tiefenbereich - der Eindringtiefe - beschränkt.

Durch diese Eigenschaft kann man die Ionen so präparieren, dass sie hauptsächlich in der Tiefe wirken, in der auch der Tumor liegt. Obwohl die Herstellung ausreichend vieler dieser Ionen schwieriger ist als die Herstellung von Röntgenstrahlung, wiegen die Vorteile der Starhlentherapie durch Ionen schwerer.

Fragen zur Strahlentherapie Teil I

Wozu kann man lonenstrahlen in der Strahlenmedizin verwenden?

- Zur Anregung von Molekülen
Feedback: das ist hierbei nicht wichtig.
- Zur Zerstörung von Gewebe
Feedback: Das ist richtig.
- Um chemische Reaktionen zu starten
Feedback: das ist hierfür nicht wichtig.
- Zur Übertragung von Ladung
Feedback: das ist falsch.

Fragen zur Strahlentherapie Teil II

Welche Vorteile hat die lonenstrahltherapie in der Tumorbehandlung gegenüber der Röntgenstrahlung?

- Die zellschädigende Wirkung ist auf eine kleinen Raumbereich begrenzt.
Feedback: Das ist richtig.
- Die Ionen können viel tiefer in Gewebe eindringen.
Feedback: Das ist nicht richtig. Die Intensität der Röntgenstrahlung nimmt zwar mit der Tiefe ab, wird jedoch nie ganz verschwinden.
- Ionen lassen sich leichter aus ihrer Bahn ablenken als Röntgenstrahlung.
Feedback: Das ist richtig.
- Ionen lassen sich leichter herstellen als Röntgenstrahlung.
Feedback: Das ist nicht richtig. Röntgenstrahlung kann bereits in vielen Arztpraxen für Röntgenaufnahmen hergestellt werden.

Ende des Abschnitts Strahlentherapie

Sie können entweder zurück zur Einleitung, die Fragen noch einmal bearbeiten oder zurück zum Überblick über die Abschnitte dieses Kapitels.