Universität zu Köln

Die Kohlenstoffionen-Strahlentherapie liefert eine präzise und hochgradig konforme Dosisverteilung, die die Dosis für das Ziel maximiert und gleichzeitig die Dosis für das umgebende gesunde Gewebe und insbesondere für strahlenempfindliche Risikoorgane minimiert. Allerdings schränken inhärente Unsicherheiten bei der Bestrahlung das Ausmaß ein, in dem diese Vorteile voll genutzt werden können. Methoden zur Überwachung der Reichweite des Strahls, wie das Interaction Vertex Imaging (IVI), erlauben es die Position der Kohlenstoff-Ionen im Patienten zu bestimmen. Somit wird eine gleichmäßigere Dosisverteilung ermöglicht, die das scharfe Dosismaximum, den sogenannten “Bragg-Peak”, der entsteht, wenn ein Ionenstrahl im Patienten stoppt, voll ausnutzt. Der in dieser Arbeit entwickelte Prototyp eines Silizium-Trackingdetektors für das “filtered IVI” (fIVI)- ist das erste Gerät welches großflächige (36 cm2 und 72 cm2) Siliziumsensoren für eine Online-Strahlentherapiebehandlung einsetzt. Dieses System besteht aus zwei Schichten dünner, doppelseitiger, streifenförmiger Siliziumdetektoren und zugehöriger schneller Ausleseelektronik, um die geladenen Teilchen zu detektieren, die während der Bestrahlung durch die Wechselwirkung von Strahl und Patient emittiert werden. Um diesen Prototyp für die anspruchsvolle klinische Umgebung zu validieren, wurden erste Tests mit Quellen und Ionenstrahlen niedriger Energie durchgeführt. Anschließend wurden klinische Strahlen unterschiedlicher Reichweite in Kunststoffphantomen mit realistischen klinischen Dimensionen gemessen, die eine Behandlung realistisch simulieren. Zusätzlich zur Offline-Analyse wurden diese klinischen Messungen genutzt, um eine Online-Analyse in Echtzeit zu entwickeln und zu testen. Das in dieser Arbeit entwickelte System erfüllt und übertrifft die Anforderungen der klinischen Bestrahlung. Es ist in der Lage, Zählraten von über 1.0 MHz mit vernachlässigbaren Verlusten aufgrund von Pile-up und extrem niedrigen Zufallskoinzidenzen zu verarbeiten. Bei der klinischen Bestrahlung eines Ziels, das den menschlichen Kopf repräsentiert, konnten Bragg-Peak-Tiefenunterschiede in der Größenordnung von 1.0 mm festgestellt werden; mit der Erfassung zusätzlicher Daten, die ein größeres Sensorarray modellieren, ist eine Präzision im Submillimeterbereich möglich. Diese Reichweitenunterschiede können in weniger als 200 ms nach dem Ende der jeweiligen Bestrahlung bestimmt werden, da der Großteil der Datenverarbeitung synchron mit der Datenerfassung erfolgt. Mit diesem Aufbau wird die in früheren IVI-Studien erreichte Präzision im Millimeterbereich auf den anspruchsvolleren und klinisch wichtigen Fall der weniger tiefen Bragg-Peak-Positionen ausgedehnt. Die Geschwindigkeit der Online-Überwachung ist vergleichbar mit den erforderlichen Strahlpausen für eine Energieänderung, so dass es möglich ist, das Vorhandensein eines Bereichsfehlers zu erkennen und die Bestrahlung vor der Abgabe des nächsten Strahls im Behandlungsplan abzubrechen. Diese Kombination aus schneller Online-Analyse und hoher Präzision des Silizium-Trackers bietet das Potenzial das Planungsvolumen möglichst eng an das Zielvolumen zu legen ohne große Sicherheitsmargen einbeziehen zu müssen. Diese Verkleinerung der Margen erlaubt eine Schonung des gesunden Gewebes und damit eine Reduktion der Komplikationen bei der Kohlenstoff-Ionentherapie, ohne hierbei die Erfolgsaussichten der Bestrahlung zu schmälern.

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