Abbildung 6: Der Ionenstrahl wird so abgelenkt, dass er die ganze Ausdehnung des Tumors überstreicht. Der Strahl scannt über den Tumorbereich. Quelle: Mit freundlicher Genehmigung durch Katja Parodi und Walter Assmann: Haddronen gegen den Krebs, in Physik Journal 18(2019) Nr.6, Seite 38, Abb2b
Die räumliche Ausdehnung des Tumors erfordert, dass die Strahlung gezielt und definiert abgelenkt wird. In Abbildung 6 wird am Beispiel von Ionenstrahlung der Strahl sowohl in der horizontalen, als auch in der vertikalen Richtung so abgelenkt, dass er die gesamte Tumorfläche überstreicht. Die "Dipole" können z.B. geladene Kondensatorplatten sein.
Die Bestrahlung muss nach den bisherigen Erörterungen zwei Dinge leisten können:
- Der Strahl muss in der horizontalen und der vertikalen Richtung gezielt ablenkbar sein, und
- der Strahl darf nur in einem definierten Tiefenbereich seine Wirkung entfalten - d.h. nur dort seine Energie abgeben.
1. Horizontale bzw. vertikale Ablenkung von Strahlung
Quelle: Dr. Rolf Piffer
2. Die Tiefenwirkung der Strahlung
Bei den Untersuchungen zur schädigenden Wirkung von geladenen Teilchen auf Gewebe wurde zur besseren Vergleichbarkeit stattdessen immer Wasser verwendet. Da Gewebe sehr viel Wasser enthält, ist Wasser als Modell sehr gut brauchbar. Die energieabgebende Wirkung von ionisierender Strahlung an Gewebe wird Dosis genannt.
Einen Strahl seitlich ablenken zu können ist zwar eine Voraussetzung der Methode, jedoch reicht das nicht aus. Denn wie kann man einen Strahl so manipulieren, dass dessen Wirkung - das heißt, dessen Energieabgabe an die kranken Zellen - genau in der erforderlichen Gewebetiefe stattfindet?
Um dieser Frage nachzugehen, hat man die Energieabgabe verschiedener Strahlungsarten an Wasser untersucht.
Abbildung 3: die Tiefendosis-Profile in Wasser zeigen, wie unterschiedlich die Strahlungsenergie von Protonen, Kohlenstoffionen, Elektronen und Photonen an Wasser abgegeben wird. Quelle: Mit freundlicher Genehmigung durch Katja Parodi und Walter Assmann: Hadronen gegen den Krebs, in Physik Journal 18 (2019) Nr.6, Seite 36, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co KGA, Weinheim
Die Abbildung 3 zeigt den Verlauf der relativen Dosis (auf 100% normiert) von Elektronen-, Protonen-, Kohlenstoffionen- und Röntgenstrahlung mit zunehmender Eindringtiefe ins Wasser. Danach steigt die Dosis der ionisierenden Strahlung zunächst mit zunehmender Eindringtiefe in jedem Fall an, um dann nach einem Maximum wieder abzunehmen. Am Maximum des Verlaufs ist die höchste Wirkung erreicht. In dieser Wassertiefe (Gewebetiefe) findet die größte Energieabgabe an die Zellen und damit auch die größte Schädigung der Zellen statt.
Ziel der Strahlentherapie ist es, das erkrankte Gewebe abzutöten und dabei gesundes Gewebe möglichst wenig zu schädigen. Häufig wird dazu die Röntgenstrahlung eingesetzt. Diese hat jedoch den Nachteil, dass sich die Strahlung nach Abbildung 3 mit steigender Eindringtiefe ins Gewebe nur wenig abschwächt. Das hat aber zur Folge, dass auch gesunde Zellen geschädigt werden.
Im Gegensatz zur Röntgenstrahlung zeigt eine Bestrahlung mit elektrisch geladenen Teilchen, wie z.B. Elektronen, Protonen oder auch positiv geladenen Kohlenstoffatomen - also Ionenstrahlung - einen charakteristischen Verlauf bei der Tiefenwirkung im Gewebe.
Die Energieabgabe nimmt bei Ionen bis zu einer bestimmten Gewebetiefe zu, um dann im Gegensatz zur Röntgenstrahlung sehr schnell wieder abzunehmen. Protonen oder Kohlenstoffionen geben demnach ihre Energie im wesentlichen nur in dem schmalen Tiefenbereich um das Maximum herum - der Eindringtiefe - an das Gewebe ab. Zwar erfolgt die Energieabgabe bei den Elektronen ebenfalls vornehmlich in einem relativ schmalen Tiefenbereich, jedoch ist dieser nicht so scharf abgegrenzt wie bei Protonen.
Diese Eigenschaft zeichnet die Strahlung mit Ionen im Vergleich zur Röntgenstrahlung aus und prädestiniert diese als Behandlungsmethode.
3. Präparation eines Ionenstrahls für definierte Gewebetiefen
Wie muss ein Ionenstrahl präpariert werden, damit die die geladenen Teilchen ihre Energie in einem definierten Tiefenbereich des Gewebes abgeben? Oder anders gefragt, wovon hängt denn die Eindringtiefe ab?
Diese Frage wird im Kapitel zur Eindringtiefe behandelt.4. Verwendung von Ionenstrahlen
Um Ionenstrahlen für die Therapie einsetzen zu können, müssen prinzipiell verschiedene Verfahrensschritte unternommen werden.
Die physikalischen Verfahren werden unter dem Link Strahlentherapie genau erläutert.
Nützliche Seiten
- Zu Methoden der Therapie
- Zur Eindringtiefe von Ionen in Gewebe
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