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Dosimetrie an kombinierten MR-Bestrahlungsgeräten

10.12.2015

Moderne Methoden der externen Strahlentherapie mit Beschleunigern haben zum Ziel, die Bestrahlungsparameter so zu wählen, dass eine möglichst große Wirkung im Tumorgebiet erzielt und gleichzeitig umliegendes, gesundes Gewebe optimal geschont wird. Es wird die sog. Dosiskonformität im Zielgebiet angestrebt, die erst durch den Einsatz bildgebender Verfahren möglich ist. Bildgebung und Bestrahlung erfolgen dabei bisher in der Regel sequenziell an getrennten Geräten. Eine Steigerungsform dessen stellt die Kombination eines bildgebenden Verfahrens, wie z. B. der Magnetresonanztomographie (MRT), und eines Bestrahlungssystems in einem Gerät dar. Solche kombinierten MR-Bestrahlungsgeräte erlauben es, auf zeitliche Änderungen der Anatomie einzugehen bis hin zu einer Anpassung der Bestrahlung in  Echtzeit (4-D). Dieser neue Entwicklungsschritt in der Strahlentherapie kann die Erfolgschancen einer Strahlentherapie verbessern und neue Anwendungsfelder erschließen, z.B. die Bestrahlung von Tumoren, die sich aufgrund von Atmung oder Herzschlag stark bewegen. Die MR-geführte Strahlentherapie als Zusammenführung zweier hochkomplexer Methoden bringt aber auch eine Reihe neuer Herausforderungen im Bereich der Medizinphysik und -technik mit sich. Ein konkretes Beispiel dafür stellt die Dosimetrie an kombinierten MR-Bestrahlungsgeräten dar.

Als fundamentale Dosisgröße wird in der Strahlentherapie die Wasser-Energiedosis verwendet, die wiedergibt, welche Energiemenge pro Masse des Wechselwirkungsvolumens absorbiert wurde. Bei der MR-geführten Strahlentherapie werden Bestrahlungen mit hochenergetischen Photonen im starken Feld eines MRT durchgeführt. Die Energieabsorption erfolgt vorwiegend durch die Erzeugung und Wechselwirkung von geladenen Sekundärteilchen (vorwiegend Elektronen), deren Bewegung durch das Magnetfeld beeinflusst wird. Dadurch entsteht eine andere Verteilung der Wasser-Energiedosis im Wechselwirkungsgebiet als bei einer konventionellen Photonentherapie an einem Beschleuniger ohne MRT. Diese veränderten Verhältnisse müssen messtechnisch erfasst werden können. Übliche Detektoren, die in der Dosimetrie für die Strahlentherapie verwendet werden, sind Ionisationskammern und Festkörperdetektoren (Dioden, Diamantdetektoren). Untersuchungen mit diesen Detektoren in Magnetfeldern zeigen jedoch, dass das Ansprechvermögen von der Detektorausrichtung bezüglich des Magnetfeldes sowie von der magnetischen Feldstärke und dem Detektortyp abhängt [1, 2]. Dies verkompliziert die experimentelle Bestimmung der Wasser-Energiedosis und erschwert die Ermittlung der  Dosisverteilung in MR-Bestrahlungsgeräten. Für die dosimetrische Qualitätssicherung in der klinischen Routine hat es zur Folge, dass die Dosimetrieprotokolle der externen Strahlentherapie (z. B. DIN 6800-2 [3]) und die darin spezifizierten Unsicherheiten nicht ohne Weiteres anwendbar sind. Aufgrund dieser Situation ist der sichere Einsatz von MR-Bestrahlungsgeräten zur Behandlung von Patienten in der klinischen Routine zur Zeit noch nicht möglich. Die PTB will dazu beitragen, diese Situation zu ändern und letztlich eine rückführbare Dosimetrie an MR-Bestrahlungsgeräten zu ermöglichen. Zu diesem Zweck engagiert sich die PTB in deutschen und europäischen Forschungsvorhaben. Unter anderem hat sich eine junge Nachwuchswissenschaftlerin aus dem Fachbereich 6.2 „Dosimetrie für die Strahlentherapie und Röntgendiagnostik“ erfolgreich um eine Teilnahme an der 6. Nachwuchsakademie Medizintechnik der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) beworben. Diese fand im Februar 2015 unter dem Motto „Magnetresonanz(MR)-geführte Strahlentherapie“ statt und umfasste ein Symposium mit Vorträgen führender Experten auf dem Gebiet der MR-geführten Strahlentherapie sowie einen Workshop, der Nachwuchswissenschaftlerinnen und Nachwuchswissenschaftler mit der Antragsstellung für ein DFG-Projekt vertraut machte. Nach der Akademie hatten die jungen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Möglichkeit bis Ende Mai 2015 einen Projektantrag zu den Themen der Nachwuchsakademie bei der DFG einzureichen. Der Projektantrag der PTB beinhaltet Untersuchungen mit Alanintabletten als Detektoren und deren Auswertung durch Elektronenspinresonanz (ESR) in Hinblick auf deren Eignung für die Dosimetrie in Magnetfeldern kombinierter MR-Bestrahlungsgeräte. An dem Projekt sind die Fachbereiche 6.2 „Dosimetrie für die Strahlentherapie und Röntgendiagnostik“ und 8.1 „Medizinische Messtechnik“ beteiligt.

Das Verfahren der Alanin-Dosimetrie in Verbindung mit der Auswertung durch ESR wird als Sekundärnormal-Messverfahren von verschiedenen nationalen Metrologieinstituten für spezielle dosimetrische Fragestellungen in der Strahlentherapie verwendet. Die PTB hat in den letzten Jahren ein solches Alanin-Sekundärnormal mit kleinster Messunsicherheit für die Dosimetrie entwickelt [4]. Alanin bildet unter Einwirkung ionisierender Strahlung freie Radikale, deren Konzentration der Dosis proportional ist und durch ESR bestimmt werden kann. Es zeichnet sich verglichen mit anderen passiven Dosimetern (wie z. B. Thermo­lumineszenzdosimetern, TLD) u.a. dadurch aus, dass es in guter Näherung wasseräquivalent ist, sein Ansprechvermögen nur geringfügig von der Art und Energie der Strahlung abhängt, die Auslesung wiederholt erfolgen kann und Alanindosimeter mit sehr kleinen Abmessungen hergestellt werden können. Gerade die letztgenannte Eigenschaft macht Alanin/ESR zu einem Messsystem, welches für die Anforderungen der modernen Strahlentherapie sehr gut geeignet ist. Intensitätsmodulierte Strahlentherapie (IMRT), Tomotherapie und stereotaktische Bestrahlungen (z. B. Cyberknife) erfordern kleine Sonden, mit denen dennoch eine sehr genaue Dosimetrie erfolgen kann. Beide Forderungen können durch den Einsatz von Alanin/ESR erfüllt werden. Die Messunsicherheit, die bei der Dosimetrie von hochenergetischer Photonenstrahlung mit Alanin/ESR erreicht werden kann, liegt für typische Messbedingungen in der Strahlentherapie bei etwa 0,5 % [5].

Sollte Alanin für Dosismessungen in Magnetfeldern geeignet sein, was im Rahmen des  DFG-Projekts untersucht werden soll, ist die Alanindosimetrie ein hervorragendes Messverfahren, um auch an kombinierten MR-Bestrahlungsgeräten rückführbare, qualitätsgesicherte Dosismessungen mit kleiner Messunsicherheit durchführen zu können.

Die Entscheidung über die Bewilligung des DFG-Projektantrags zur Dosimetrie mit Alanin für die MR-geführte Strahlentherapie wird Ende 2015 erfolgen.

Literatur:

  1. Reynolds M, Fallone B G und Rathee S:
    Dose response of selected ion chambers in applied homogeneous transverse and longitudinal fields.
    Medical Physics 40 (2013), 042102; doi: 10.1118/1.4794496
  2. Reynolds M, Fallone B G und Rathee S:
    Dose response of selected solid state  detectors in applied homogeneous transverse and longitudinal fields.
    Medical Physics 41 (2014), 092103; doi: 10.1118/1.4893276
  3. Deutsches Institut für Normung e.V.:
    Dosismessverfahren nach der Sondenmethode für Photonen- und Elektronenstrahlung – Teil 2: Dosimetrie hochenergetischer Photonen- und Elektronenstrahlung mit Ionisationskammern.
    DIN 6800-2:2008-03, Beuth-Verlag, Berlin, 2008
  4. Anton M:
    Development of a secondary standard for the absorbed dose to water based on the alanine EPR dosimetry system.
    Applied Radiation and Isotopes 62 (2005), S. 779-795
  5. Anton M:
    Uncertainties in alanine/ESR dosimetry at the Physikalisch-Technische Bundesanstalt.
    Physics in Medicine and Biology 51 (2006), S. 5419-5440

Ansprechpartner:
Opens window for sending emailR.-P. Kapsch, Fachbereich 6.2, Arbeitsgruppe 6.21
Opens window for sending emailF. Renner