DPMA - Erfinderaktivitäten 2006/2007

Absorption von Röntgenquanten bei, d.h. die Bildung von
Elektron-Positron-Paaren bei Wechselwirkung der
Photonen mit dem Coulomb-Feld des Atomkerns.
Im Übergangsbereich zwischen ca. 50 keV und 5 MeV
dominiert ein dritter Effekt, die Compton-Streuung an
quasifreien Elektronen, wobei ein Photon einen Teil seiner
Energie als kinetische Energie an die Elektronen abgibt.
Die Summe der verschiedenen Beiträge ergibt eine
energieabhängige Absorptionswahrscheinlichkeit (auch
Schwächungskoeffizient genannt), die für Wasser von
sehr hohen Werten für niederenergetische Photonen stark
abfällt, bei etwa 1-5 MeV ein Minimum durchläuft und
anschließend wieder leicht ansteigt ([5], [6]).
Der Bereich der optimalen Bestrahlungsenergie für die
Behandlung von Tumoren liegt bei 6-15 MeV ([4], [5]); hier
ist die Absorptionswahrscheinlichkeit für kleinere Energien
etwas höher, was dazu führt, dass aus einem bestimmten
Spektrum an Anregungsenergien (s. Kapitel 3.1) beim
Durchlaufen des Gewebes Photonen niedrigerer Energie
bevorzugt absorbiert werden und somit die mittlere
Energie des Strahls ansteigt (radiation hardening).
Vernachlässigt man diesen Effekt, so gilt für die
Strahlabschwächung ein Gesetz ähnlich dem von
Lambert-Beer für sichtbares Licht, nämlich dass ein Strahl
der Einstrahlintensität I0 nach durchlaufener Wegstrecke d
im Gewebe auf I(d) ∝ I0 exp[-µ(E) ⋅ d] abgeschwächt ist.
Die Intensität fällt also exponentiell ab, mit dem größten
Abfall zu Beginn der Wegstrecke. Sitzt der Tumor nun tief
im Körperinneren, so ist der Strahlungseintrag im darüber
befindlichen Gewebe deutlich höher.
2.2. Schädigungsmechanismen
Die Wirkung hochenergetischer Strahlung auf biologisches
Gewebe ist sehr komplex ([5], Kapitel 14). Für die
Antitumorwirkung relevant sind neben direkten Treffern an
der DNS vor allem hochtoxische freie Radikale, die durch
die Ionisation von Wassermolekülen gebildet werden.
Diese Radikale erzeugen Schäden an der DNS,
insbesondere Doppelstrangbrüche, die entweder
unmittelbar zur Einleitung der Apoptose führen, d.h. zum
geregelten Zelltod, oder zum Verlust der
Fortpflanzungsfähigkeit der Zelle. Da aber die Zelle über
effiziente Reparaturmechanismen verfügt, muß bei jeder
(Teil-)Bestrahlung (Fraktion) eine Mindestdosis verabreicht
werden, um dauerhafte Schäden zu bewirken; erst
oberhalb dieser Mindestdosis steigen die irreparablen
Schäden stark an und erreichen schließlich einen
Sättigungswert (sigmoidales Verhalten). Diese Dosis-
Wirkungs-Beziehung ist für gesundes Gewebe qualitativ
ähnlich, jedoch zu höheren Dosen hin verschoben, da
gesundes Gewebe Strahlenschäden besser reparieren
kann als Tumorgewebe ([5], Kapitel 14.9).
3. Bestrahlung
3.1. Schematischer Aufbau eines
Bestrahlungssystems
Figur 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Teletherapie-
Bestrahlungssystems mit Röntgenstrahlung (vgl. DE 10
2004 006 784 A1, DE 199 22 656 A1):
Figur 2: Aufbau eines Röntgen-Bestrahlungssystems (nach DE
10 2004 006 784 A1): in einem Linearbeschleuniger (Linac, für
linear accelerator; 10) werden stark beschleunigte Elektronen auf
ein Target gelenkt und erzeugen durch Bremsprozesse
Röntgenstrahlen. Der Bereich (13) kann Vorrichtungen zur
Festlegung der Feldgröße (Kollimatoren) oder der Energie (z.B.
Absorberelemente) aufnehmen. Der so geformte Strahl wird unter
verschiedenen Winkeln (unter Drehung der so genannten Gantry
(12)) auf den auf der Patientenliege (30) befindlichen Patienten
gerichtet, der zuvor bezüglich der Gantry positioniert wurde. Eine
Detektoreinheit unter dem Patienten kann zur Kontrolle der
Position und der absorbierten Strahlung herangezogen werden
(Portal Imaging).
Der Patient wird auf der Liege (30) positioniert,
gegebenenfalls immobilisiert und in die gewünschte
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