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Entwicklung eines Kalorimeters zur Bestimmung der Wasser-Energiedosis im MR-Linac

19.12.2018

Die MR bildgeführte Strahlentherapie (MRgRT), d.h. die Bestrahlung mit hochenergetischer Photonenstrahlung bei gleichzeitiger Bildgebung mittels MR-Tomographie, hat entscheidende Vorteile für Patienten: Die erforderliche Dosis kann genauer im Tumor deponiert werden (auch bei beweglichen Tumoren), wobei gleichzeitig die Bestrahlung von gesunden Gewebe oder Risikoorganen minimiert werden kann. Weltweit entwickeln mehrere Hersteller und Forschergruppen geeignete Hybridgeräte für die MRgRT – sogenannte MR-Linacs –, die sich in der magnetischen Flussdichte des für die MR Bildgebung benötigten statischen Magnetfeldes (B = 0,3 T … 1,5 T), der Energie der zur Bestrahlung eingesetzten hochenergetischen Photonenstrahlung (E = 1,25 MeV … 7 MeV) und der Orientierung von Magnetfeld und Strahlenachse unterscheiden. In Deutschland sind derzeit zwei dieser Geräte in Kliniken installiert, gefördert durch die DFG-Großgeräteinitiative 2015. Es wird erwartet, dass die MRgRT in den kommenden Jahren zu einer der Standardmethoden in der Strahlentherapie wird.

Um die Vorteile, die die MR geführte Strahlentherapie für den Patienten verspricht, zur vollen Geltung zu bringen, ist es erforderlich, dass die Unsicherheit der Dosismessung am MR-Linac (d.h. mit Magnetfeld) nicht größer ist als in der konventionellen Strahlentherapie. Die präzise Dosimetrie in Anwesenheit starker Magnetfelder erfordert unter anderem die Entwicklung geeigneter Primär- und Sekundärnormale zur Messung der Wasser-Energiedosis in MR-Linacs. Dazu wurde an der PTB ein MR-kompatibles Wasserkalorimeter als Primärnormal für die Wasser-Energiedosis Dw entwickelt.

Basierend auf den Erfahrungen mit bereits an der PTB vorhandenen Wasserkalorimetern, die z.B. bei hochenergetischer Photonen- und Elektronenstrahlung verwendet werden, wurde das Design des MR-kompatiblen Wasserkalorimeters den vorgegebenen Bedingungen eines MR-Linacs angepasst. So wurde bei der Konstruktion des Kalorimeters grundsätzlich auf die Verwendung metallischer Werkstoffe verzichtet. Da der innere Durchmesser des MR-Tomographen max. 60 cm beträgt, mussten die äußeren Abmaße des Kalorimeters auf ca. 45 cm x 56 cm x 42 cm (HxBxT) begrenzt werden, wobei das Wasserphantom innerhalb des Kalorimeters eine Größe von 22 cm x 30 cm x 24 cm (HxBxT) besitzt. Um eine ausreichende Temperaturstabilität des Kalorimeters für den Betrieb bei 4°C Wassertemperatur zu gewährleisten, werden alle Seiten des Wasserphantoms (bis auf den 12 cm x 12 cm großen Strahleintrittsbereich) aktiv gekühlt mit Hilfe von kühlmitteldurchflossenen Polyäthylen-Schläuchen, die jeweils mäanderförmig zwischen passiven Dämmschichten geführt werden. Diese Dämmschichten bestehen aus ca. 2 cm Polystyrol auf der Innenseite und jeweils ca. 2 cm Polystyrol und 2 cm Aerogel (ein Material mit ca. 3-fach geringerem Wärmeleitungskoeffizienten im Vergleich zu Polystyrol) auf der Außenseite. Das für horizontale Strahlrichtung konzipierte Kalorimeter befindet sich in einer Einhausung aus Kunststoff. Im Kalorimeter können die selben Detektoren zur Messung der strahlungsinduzierten Temperaturerhöhung verwendet werden, die auch in den anderen an der PTB betriebenen Kalorimetern (z.B. Primärstandard-Wasserkalorimeter bei 60Co) zum Einsatz kommen.

MR-kompatibles Wasserkalorimeter mit zugehörigem Kühlaggregat

Bild des MR-kompatiblen Wasserkalorimeters mit zugehörigem Kühlaggregat. Auf der Stirnseite des Kalorimeters ist der 12 cm x 12 cm große Strahleintrittsbereich markiert.

Erste Testmessungen mit dem MR-kompatiblen Wasserkalorimeter zeigten, dass die Temperaturstabilisierung insbesondere im Bereich des Strahleintrittsfensters optimiert werden musste. Unter anderem wurde daher die aus Polystyrol bestehende passive Dämmschicht des Strahleintrittsfensters auf jetzt insgesamt 155 mm verstärkt. Das obige Bild zeigt das MR-Kalorimeter noch ohne die verstärkte Dämmung. Bestrahlungsmessungen mit dem MR-Wasserkalorimeter wurden anschließend am Linearbeschleuniger mit 8 MV Photonen sowie an der 60Co-Bestrahlungsanlage durchgeführt. Der direkte Vergleich des MR-Kalorimeters mit dem als Primärstandard für die Wasser-Energiedosis bei 60Co-Strahlung verwendeten Wasserkalorimeters zeigt eine Übereinstimmung innerhalb von 0,1%.

In Zusammenarbeit mit dem Deutschen Krebsforschungszentrum (DKFZ) und der Universitätsklinik Heidelberg sind demnächst Dosismessungen mit dem neuen Wasserkalorimeter am dortigen 0,3 Tesla MR-Linac der Firma Viewray geplant, um unter Magnetfeldbedingungen die kQ-Faktoren von Ionisationskammern zu bestimmen und so eine rückführbare Dosimetrie zu gewährleisten.