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Kurs­stu­fe Phy­sik - Ge­la­de­ne Teil­chen in Fel­dern: Phy­si­ka­li­sche Ver­fah­ren in der Me­di­zin

Tomografie

Ma­xi­mu­min­ten­si­täts­pro­jek­ti­on einer Ganz­kör­per­auf­nah­me mit­tels Po­si­tro­nen-Emis­si­ons-To­mo­gra­phie von Jens Maus via Wi­ki­me­dia , ( CC0 1.0 Uni­ver­sell)

Die ne­ben­ste­hen­de Ab­bil­dung 0 zeigt eine Ganz­kör­per­auf­nah­me von einer weib­li­chen Pa­ti­en­tin im Rah­men einer Tu­mor­dia­gno­se.

Schwe­re Er­kran­kun­gen und ihre Fol­ge­er­schei­nun­gen wer­den nicht sel­ten durch Tu­mo­re her­vor­ge­ru­fen, wie sie zum Bei­spiel beim Krebs auf­tre­ten. Glück­li­cher­wei­se er­weist sich nicht jede ge­sund­heit­li­che Be­ein­träch­ti­gung als Folge von Tu­mo­ren.

Er­här­ten sich aber die Ver­dachts­fäl­le, wird in der Me­di­zin oft auf mo­der­ne Dia­gno­se­me­tho­den zu­rück­ge­grif­fen wie zum Bei­spiel die Kern­spin­to­mo­gra­fie (MRT), um Tu­mo­re zu iden­ti­fi­zie­ren.

Die fol­gen­den Sei­ten wer­den Ihnen einen Ein­blick dar­über geben, wie es heute durch mo­der­ne The­ra­pie­ver­fah­ren ge­lin­gen kann, diese Tu­mo­re zu zer­stö­ren.

Das hier spe­zi­ell vor­ge­stell­te Ver­fah­ren be­ruht ganz auf phy­si­ka­li­schen Grund­la­gen und ist nach und nach aus den La­bo­ren der Phy­si­ke­rin­nen und Phy­si­ker in den Sta­tus der tech­ni­schen Rea­li­sie­rung über­ge­gan­gen. An­schlie­ßend wur­den diese Me­tho­den bis zur An­wen­dung in der heu­ti­gen Me­di­zin wei­ter­ent­wi­ckelt.

 


Als roter Faden die­ser Sei­ten ist vor­ge­se­hen, dass Sie

  1. zu­nächst dar­über in­for­miert wer­den, wie die Tu­mo­re und deren ge­naue Lage im Kör­per be­stimmt wer­den kön­nen.
  2. ver­schie­de­ne The­ra­pie­me­tho­den ken­nen­ler­nen und ihre Vor- und Nach­tei­le hin­sicht­lich der Be­hand­lung tief­lie­gen­der Tu­mo­re ab­wä­gen kön­nen.
  3. die Vor­tei­le einer Strah­len­the­ra­pie und zwar be­son­ders die der Strah­len mit Ionen er­ken­nen.
  4. alle phy­si­ka­li­schen Teil­schrit­te zur Vor­be­rei­tung einer Be­hand­lung durch Io­nen­strah­len ver­ste­hen und nach­voll­zie­hen kön­nen.
  5. die Zu­sam­men­set­zung einer zur Be­hand­lung in­nen­lie­gen­der Tu­mo­re ge­eig­ne­te Ap­pa­ra­tur aus den ein­zel­nen Ver­suchs­tei­len pla­nen kön­nen.
  6. die Ein­flüs­se aller ein­stell­ba­ren phy­si­ka­li­schen Grö­ßen auf den Io­nen­strahl ken­nen und auch be­rech­nen kön­nen.
  7. mit den zuvor er­ar­bei­te­ten Kennt­nis­sen schließ­lich in der Lage sind, bei ge­ge­be­nen Rand­be­din­gun­gen für die Ver­suchs­ap­pa­ra­tur, die ex­pe­ri­men­tel­len Pa­ra­me­ter der Ap­pa­ra­tur so ein­zu­stel­len, dass ein genau lo­ka­li­sier­ter Tumor auch zer­stört wer­den könn­te.

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Tomographische Untersuchung

Quel­le:
https://​px­he­re.​com/​ro/​photo/​1139115 (CC0 1.0 Uni­ver­sell)

Mo­der­ne Dia­gno­se­ver­fah­ren in der Me­di­zin wer­den zur Tu­mor­er­ken­nung ein­ge­setzt. Ge­rä­te wie der ab­ge­bil­de­te To­mo­graph sind Er­geb­nis­se phy­si­ka­li­scher For­schung.

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Tumor_Bauchspeicheldrüse

Bild­quel­le: Mit freund­li­cher Ge­neh­mi­gung durch Katia Par­o­di und Wal­ter Ass-mann: Ha­dro­nen gegen den Krebs, in: Phy­sik Jour­nal 18 (2019) Nr. 6, Seite 39, Abb. 3 Mitte

Nach­dem ein Tumor dia­gnos­ti­ziert ist, muss des­sen Po­si­ti­on vor einer Be­hand­lung genau ver­mes­sen wer­den. Sie fin­den dazu im Ka­pi­tel Po­si­ti­on und Größe eines Tu­mors In­for­ma­tio­nen zu den not­wen­di­gen Mes­sun­gen.

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Strahlentherapie

Bild­quel­le: Mit freund­li­cher Ge­neh­mi­gung durch Katia Par­o­di und Wal­ter Ass­mann: Ha­dro­nen gegen den Krebs, in: Phy­sik Jour­nal 18 (2019) Nr. 6, Seite 39, Abb. 4

Es gibt meh­re­re Be­hand­lungs­mög­lich­kei­ten zur Ent­fer­nung eines Tu­mors. Eine Über­sicht dazu fin­den Sie im Ka­pi­tel Be­hand­lung von Tu­mo­ren

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Strahlentherapie

Bild­quel­le: Mit freund­li­cher Ge­neh­mi­gung durch Katia Par­o­di und Wal­ter Ass­mann: Ha­dro­nen gegen den Krebs, in: Phy­sik Jour­nal 18 (2019) Nr. 6, Seite 38, Abb. 2b

Zur Durch­füh­rung einer Strah­len­the­ra­pie müs­sen nach­ein­an­der ver­schie­de­ne phy­si­ka­li­sche Ver­fah­ren an­ge­wen­det wer­den. Die phy­si­ka­li­schen Grund­la­gen dazu fin­den Sie im Ka­pi­tel Phy­sik der Io­nen­strah­lung

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Glühemission

Bild­quel­le: Dr. Rolf Pif­fer

Die ge­la­de­nen Teil­chen müs­sen für die Strah­len­the­ra­pie zu­nächst erst ein­mal er­zeugt wer­den. Die phy­si­ka­li­schen Grund­la­gen dazu fin­den Sie im Ka­pi­tel Er­zeu­gung von Ionen

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Protonenreichweite

Quel­le: fi­gu­re 6 leicht ver­än­dert aus: Wayne D New­hau­ser and Rui Zhang: ( CC-BY 3. 0)
iop­sci­ence.​iop.​org/​ar­ti­cle/​10.​1088/​0031-​9155/​60/​8/​R155.​pdf

Die Ionen müs­sen trotz ihrer schon recht hohen An­fangs­ge­schwin­dig­keit nach deren Er­zeu­gung noch stark be­schleu­nigt wer­den um ihre Wir­kung in der rich­ti­gen Ge­we­be­tie­fe ent­fal­ten zu kön­nen. Die Grund­la­gen dazu fin­den Sie im Ka­pi­tel Be­schleu­ni­gung von Ionen.

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Ablenkung von Ionen

Bild­quel­le: Dr. Rolf Pif­fer

Die Ionen müs­sen schließ­lich genau auf den Tumor tref­fen. Dazu nutzt man die Kräf­te auf ge­la­de­ne Teil­chen im ho­mo­ge­nen elek­tri­schen Feld eines Plat­ten­kon­den­sa­tors. Im Ka­pi­tel Ab­len­kung von Ionen fin­den Sie die Grund­la­gen dazu.

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Weg der Ionen nach dem Kondensator

Bild­quel­le: Dr. Rolf Pif­fer

Um die ge­sam­te Ab­len­kung aus der Strahl­ach­se bis zum Tumor kor­rekt(!) zu be­rech­nen, müs­sen noch geo­me­tri­schen Grö­ßen be­rück­sich­tigt wer­den. Im Ka­pi­tel Ge­sam­ta­blen­kung des Strahls fin­den Sie die Her­lei­tung der dazu not­wen­di­gen For­meln.

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Filterung nach Geschwindigkeiten der Ionen

Bild­quel­le: Tho­mas Un­kel­bach für LEI­FI­phy­sik.de Die­ses Pro­gramm darf - auch in ver­än­der­ter Form - für nicht-kom­mer­zi­el­le Zwe­cke ver­wen­det und wei­ter­ge­ge­ben wer­den, so­lan­ge die­ser Hin­weis nicht ent­fernt wird (LEIFI-Phy­sik Joa­chim Herz Stif­tung)

Die Ge­schwin­dig­keit der ge­la­de­nen Teil­chen muss sehr genau zur Ge­we­be­tie­fe pas­sen, in der der Tumor liegt. Dazu ver­wen­det man einen Ge­schwin­dig­keits­fil­ter. Im Ka­pi­tel Ge­schwin­dig­keits­fil­ter fin­den Sie die dazu not­wen­di­gen Zu­sam­men­hän­ge.

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Im Aufbau

Datei: Type away (john-schno­brich-520019.jpg) von John Schno­brich [Uns­plash Li­cence], via Uns­plash, be­ar­bei­tet.

Wenn Sie diese Sei­ten be­reits er­ar­bei­tet haben und/oder Sie Ihre Kennt­nis­se über die­sen The­men­kom­plex be­reits für aus­rei­chend an­se­hen, dann soll­ten Sie die an­schlie­ßen­den Auf­ga­ben rich­tig lösen kön­nen.

...​Abschluss­auf­ga­ben

 

Wei­ter zu Phy­sik und Dia­gnos­tik