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Weltgrößte Beschleunigeranlage für die Dosimetrie in der Strahlentherapie fertiggestellt

01.07.2010

Für den Behandlungserfolg einer Strahlentherapie mit ausschlaggebend ist es, die Strahlendosis hinreichend genau zu applizieren. Diese wird als Wasser-Energiedosis in der Einheit Gray gemessen (1 Gy = 1J/kg). Die Wasser-Energiedosis ist die pro Massenelement auf Wasser übertragene Energie.

Darstellung und Weitergabe des Gray gehört zu den Kernaufgaben der PTB. Die deutsche Primärnormalmesseinrichtung ist ein Wasserkalorimeter, das die Erwärmung des Wassers bei festgelegten Bestrahlungsbedingungen (Referenzbedingungen) misst.

Um das Gray für möglichst praxisnahe Bestrahlungsbedingungen darstellen zu können, verfügt die PTB jetzt über zwei klinische Elektronenbeschleuniger der Bauart Elekta Precise Treatment SystemTM. Damit stehen sechs Referenzfelder für Photonenstrahlung und zehn Referenzfelder für Elektronenstrahlung zur Verfügung. Der Energiebereich erstreckt sich von 4 MeV bis 25 MeV. Er deckt den in der Praxis vorkommenden Bereich vollständig ab.

Im Kampf gegen den Krebs entwickelt die Medizin fortlaufend neue Bestrahlungstechniken. Sie erzeugen unregelmäßig geformte Bestrahlungsvolumina, die das bestrahlte Volumen immer genauer der Form des Tumors anpassen, um empfindliche Organe und gesundes Gewebe weitestgehend zu schonen. Tomotherapie oder die "Intensitätsmodulierte Strahlentherapie" (abgek. IMRT) sind Beispiele dafür. Mit ihren neuen Beschleunigern kann die PTB derartige Bestrahlungsvolumina ebenfalls erzeugen und Messverfahren für die genaue Dosisbestimmung in diesen Volumina entwickeln.

Der dosimetrischen Grundlagenforschung dient ein 11 m langer Elektronenlinearbeschleuniger, den die Firma RI Research Instruments GmbH, Bergisch-Gladbach speziell für die PTB entwickelt hat. Die Energie der beschleunigten Elektronen kann von 0,5 MeV bis 50 MeV kontinuierlich verändert werden. Nirgendwo sonst steht der dosimetrischen Forschung ein so großer Energiebereich zur Verfügung. Er wurde durch Aufteilung der Beschleunigungsstruktur in zwei Sektionen realisiert. Elektronen mit Energien unterhalb von 10 MeV werden hinter der ersten Sektion aus dem Beschleuniger gelenkt.

Dementsprechend bedient der Forschungsbeschleuniger zwei Bestrahlungsplätze, einen für Energien von 0,5 MeV bis 10 MeV und einen zweiten für Energien von 6 MeV bis 50 MeV. An beiden Bestrahlungsplätzen können die Elektronenstrahlen sowohl fokussiert als auch aufgefächert und mittels eines Fixpunkt-Rastersystems zusätzlich bewegt werden (beam scanning). Wenn am Fixpunkt ein entsprechendes Target installiert wird, kann das System sogar bewegte hochenergetische Photonenstrahlung erzeugen.

Mittels Ablenkmagneten und Blenden lassen sich quasi monoenergetische Elektronenstrahlen herstellen, mit spektrale Breiten bis hinab zu 4 keV (1σ). Im Energiebereich oberhalb von 6 MeV ist die Elektronenstrahlleistung so groß (bis 1 kW), dass die damit erzeugten Photonenstrahlungsfelder therapeutisch relevante Dosisleistungen (4 Gy/min) erreichen.

Der Elektronenstrom wird berührungslos mit toroidalen Strahlstromtransformatoren gemessen, die am CERN entwickelt worden sind. Sie gelten als die derzeit genauesten Messgeräte, die es für diese Anwendung gibt. Zur Energiebestimmung wird der Elektronenstrahl in eigens konstruierten Spektrometern durch ein homogenes Magnetfeld um 180° ablenkt. Bei gegebener Magnetfeldstärke ergibt sich die Elektronenenergie dann aus dem Bahndurchmesser.

An allen drei Beschleunigern ist jetzt der geplante wissenschaftliche Betrieb aufgenommen worden. Arbeiten zur klinischen Dosimetrie bilden zwar den Schwerpunkt, andere Themen sind aber nicht ausgeschlossen. Die Universität Hamburg, beispielsweise, studiert am Forschungsbeschleuniger Strahlenschäden in Silizium-Dioden, die am CERN in Hochenergieexperimenten Verwendung finden.

Bild : Elektronenlinearbeschleuniger für die Dosimetrie. Im Vordergrund erreichen die Elektronen die Endenergie von 50 MeV. Blau: Magnete zur Strahlfokussierung und Strahlauslenkung.