Logo der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt

Auf dem Weg zu Primär- und Sekundärnormalen für die Dosimetrie in der FLASH-Strahlentherapie

23.12.2021

Seit einigen Jahren wird die FLASH‑Strahlentherapie als neue Bestrahlungsmodalität untersucht. Diese weist gewisse Vorteile gegenüber klassischen Behandlungsmodalitäten auf. Um die FLASH‑Modalität zu prüfen und deren Vorteile gegenüber dem klassischen Behandlungsverfahren zu quantifizieren, müssen neue Dosisermittlungstechniken und neue Protokolle untersucht und herausgearbeitet werden. Dazu wurde im September 2019 das von der EU finanzierte EMPIR‑Projekt "UHDPulse" ins Leben gerufen. Ziel des Projektes ist es, zuverlässige dosimetrische Methoden für die FLASH‑Modalität sowie Leitlinien für die Messprotokolle in der Dosimetrie zu entwickeln.

Seit einigen Jahren wird die FLASH‑Strahlentherapie als neue Bestrahlungsmodalität untersucht. Diese weist gewisse Vorteile gegenüber klassischen Behandlungsmodalitäten auf [1]. Die Verfahren unterscheiden sich durch die Dosisleistung (das heißt die pro Zeiteinheit verabreichte Dosismenge), die im Falle des neuen Verfahrens ca. 1000‑mal höher ist. Diese neue Modalität bietet den Vorteil, dass die Dosis innerhalb weniger als einer Sekunde verabreicht werden kann. Im Vergleich braucht man dazu in der klassischen Strahlentherapie mehrere Minuten. Das neue Verfahren steckt noch in den Kinderschuhen, es hat sich jedoch bereits als weniger schädlich für gesundes Gewebe erwiesen. Wiederum sind klassische dosimetrische Methoden nicht geeignet, um solche ultrahohen Dosisleistungen zu messen [2].

In der klassischen Strahlentherapie werden die Teilchenbeschleuniger, die zur Verabreichung der Strahlung bei der Behandlung verwendet werden, typischerweise mit Hilfe von Dosimetern in Form von Ionisierungskammern kalibriert. Hierbei misst man die Strahlung durch Zählung der Ionen, die durch die Strahlenwechselwirkung in der Kammer entstehen. Im FLASH‑Strahlenbündel jedoch ist das gemessene Signal deutlich geringer, da die Ionen sich neu kombinieren, bevor sie zwecks Zählung gefangen werden können. Ionisierungskammern und das aktuelle Protokoll sind daher nicht mehr zeitgemäß. Um die FLASH‑Modalität zu prüfen und deren Vorteile gegenüber dem klassischen Behandlungsverfahren zu quantifizieren, müssen neue dosimetrische Techniken und neue Protokolle untersucht bzw. herausgearbeitet werden. Zu diesem Zweck wurde das EU‑finanzierte EMPIR‑Projekt „Metrology for advanced radiotherapy using particle beams with ultra‑high pulse dose rates“ (UHDPulse) im September 2019 gestartet [3]. Ziel des Projektes ist es, zuverlässige dosimetrische Methoden für die FLASH‑Modalität sowie Leitlinien für die Messprotokolle zu entwickeln.

Das Ansprechvermögen verschiedener Detektortypen wurde bei der PTB in einem Elektronenstrahl mit ultrahoher Dosis pro Puls gemessen. Die verwendeten Detektoren sind planparallele Ionisierungskammern, Alanintabletten und Graphitkalorimeter nach der Sondenmethode [4]. Die Sammeleffizienz von Ionisierungskammern wurde für einen Bereich von 0,5 Gy bis 2 Gy pro Strahlungspuls ermittelt. Die Sammeleffizienz von Ionisierungskammern hing nicht linear von der Dosisleistung ab. Wie in Abbildung 1 dargestellt, wurden Abweichungen von 2 % bis 5 % bei Geräten desselben Typs festgestellt. In Abbildung 2 wird die Tiefendosisermittlung in Wasser mit einem Kalorimeter und mit einer Ionisierungskammer mit der Monte‑Carlo‑Rechnung verglichen. Die gute Übereinstimmung zwischen den mit dem Kalorimeter, mit der Ionisierungskammer (nach Anwendung einer Rekombinationskorrektur) und anhand der Monte‑Carlo‑Berechnung erzielten Ergebnissen zeigt, dass der richtige Korrektionsfaktor für die Ionisierungskammer verwendet wurde und dass im Falle des Kalorimeters kein Korrektionsfaktor für den Wärmeverlust bei ultrahoher Pulsdosisleistung erforderlich ist.

Diagramm Ionensammeleffizienz sechs verschiedener Ionisationskammern

Abbildung 1: Ionensammeleffizienz verschiedener Ionisierungskammern im Elektronenstrahl mit ultrahoher Dosis per Puls.

Diagramm Tiefendosisermittlung

Abbildung 2: Tiefendosisermittlung in Wasser jeweils mit einem Kalorimeter und einer Ionisierungskammer im Vergleich zur Monte-Carlo-Simulation.

Das Projekt ist zwar noch in der Anfangsphase, jedoch erzielt die Kalorimetrie bereits vielversprechende Ergebnisse für die Messung der Energiedosis sowohl bei nationalen Metrologieinstituten als auch im klinischen Umfeld. Bei FLASH‑Dosisleistungen wird Kalorimetrie noch einfacher, da die Dosis innerhalb einiger Sekunden oder sogar weniger verabreicht wird. Die ersten Ergebnisse zeigen, dass weder eine aufwendige Wärmedämmung des Kalorimeters noch die Anwendung eines Korrektionsfaktors für den Wärmeverlust notwendig sind [5]. Für relative Messungen werden andere Typen von Dosimetern (wie zum Beispiel Plastikszintillatoren, Dioden oder Diamantdetektoren) aktuell untersucht, um das geeignetste Verfahren zu ermitteln.

Literatur

[1]       V. Favaudon et al., “Ultrahigh dose‑rate FLASH irradiation increases the differential response between normal and tumor tissue in mice,” Sci. Transl. Med., vol. 6, no. 245, Jul. 2014, doi: 10.1126/scitranslmed.3008973.

[2]       M. McManus et al., “The challenge of ionisation chamber dosimetry in ultra‑short pulsed high dose‑rate Very High Energy Electron beams,” Sci. Rep., vol. 10, no. 1, pp. 1‑11, Dec. 2020, doi: 10.1038/s41598‑020‑65819‑y.

[3]       A. Schüller et al., “The European Joint Research Project UHDpulse – Metrology for advanced radiotherapy using particle beams with ultra‑high pulse dose rates,” Phys. Medica, vol. 80, pp. 134‑150, Dec. 2020, doi: 10.1016/j.ejmp.2020.09.020.

[4]       J. Renaud, A. Sarfehnia, J. Bancheri, and J. Seuntjens, “Aerrow: A probe‑format graphite calorimeter for absolute dosimetry of high‑energy photon beams in the clinical environment,” Med. Phys., vol. 45, no. 1, pp. 414‑428, Jan. 2018, doi: 10.1002/mp.12669.

[5]       J. Renaud, H. Palmans, A. Sarfehnia, and J. Seuntjens, “Absorbed dose calorimetry,” Physics in Medicine and Biology, vol. 65, no. 5. Institute of Physics Publishing, p. 05TR02, Mar. 02, 2020, doi: 10.1088/1361‑6560/ab4f29.

Ansprechpartnerin

Opens local program for sending emailA. Bourgouin, Fachbereich 6.2, Arbeitsgruppe 6.21