Die Protonentherapie ist ein hochmodernes Verfahren zur Krebsbehandlung, bei dem ein energiereicher Protonenstrahl ionisierende Strahlung an den Behandlungsbereich abgibt. Die Intensität, Richtung und Form des Protonenstrahls müssen präzise gesteuert werden, um die richtige Dosis an den Tumor zu liefern und gleichzeitig die Schädigung des umliegenden gesunden Gewebes zu minimieren. Dieser Blog-Beitrag zeigt, wie mithilfe der Software COMSOL Multiphysics® eine Nadelstrahldüse modelliert wird, um den Protonenstrahl präzise auf den Behandlungsbereich zu lenken.
Vorteile der Protonentherapie
Die Protonentherapie behandelt Krebs wie andere Formen der Strahlentherapie, indem sie die DNA von Tumorzellen mit ionisierender Strahlung gezielt schädigt. Diese Strahlungsschäden unterbrechen die Vermehrung der Tumorzellen und führen schließlich zu ihrem Absterben. Bei der Protonentherapie stellt ein energiereicher Protonenstrahl, erzeugt von einem Teilchenbeschleuniger, den Ursprung der ionisierenden Strahlung dar.
Der entscheidende Vorteil der Verwendung eines Protonenstrahls gegenüber herkömmlichen Röntgenstrahlen liegt in seinem ausgeprägten Bragg-Peak. Bei einem Röntgenstrahl ist die abgegebene Strahlungsdosis in der Nähe des oberflächlichen Gewebes am höchsten und nimmt mit zunehmender Gewebetiefe monoton ab. Das bedeutet, dass sowohl oberflächliches als auch tiefes gesundes Gewebe während der Behandlung einer Kollateralbestrahlung ausgesetzt ist. Im Gegensatz dazu liefert der Protonenstrahl die maximale Dosis unmittelbar vor seinem Stillstand, also in der Nähe seiner maximalen Eindringtiefe. Das oberflächliche gesunde Gewebe erhält eine vergleichsweise geringere Dosis, während tiefer liegendes Gewebe vollständig verschont bleibt. Durch die Feinabstimmung der Protonenstrahlenenergie im Behandlungsplan können Medizinphysiker gewährleisten, dass die Strahlen eine gleichmäßige Dosis über den Tumorbereich abgeben und das angrenzende gesunde Gewebe verschonen.
Dosis im Verhältnis zur Eindringtiefe bei einem Protonenstrahl und einem Röntgenstrahl. Der ausgeprägte Bragg-Peak des Protonenstrahls ist gut zu erkennen. Bild lizenziert unter GNU Free Documentation License über Wikimedia Commons.
Das Querprofil des Protonenstrahls muss ebenfalls so gesteuert werden, dass es der Form des Tumors entspricht. Die passive Streuung und Pencil Beam Scanning (PBS) sind die beiden gängigsten Methoden. Bei der passiven Streuung werden eine oder mehrere Streufolien verwendet, um den Strahl so zu streuen, dass der Zielbereich (auch Behandlungsfeld genannt) eine nahezu gleichmäßige Bestrahlung erhält. Im Gegensatz dazu wird das Feld beim Pencil Beam Scanning bzw. Spot Scanning in voxelartige Unterbereiche unterteilt und jeder Teilbereich mit einem schmalen Strahl behandelt.
Steuerung des Protonenstrahls
Die Steuerung des Protonenstrahls erfolgt über das PBS-Düsensystem. Grundsätzlich besteht die PBS-Düse aus zwei vertikal und horizontal ausgerichteten Dipolmagneten. Die dabei entstehenden gleichmäßigen Felder lenken den Strahl in horizontaler bzw. vertikaler Richtung ab. Durch die Steuerung der Ströme, die die Magnete ansteuern, kann ein Strahlentechniker die Magnetfeldstärke einstellen und so das Ausmaß der Strahlablenkung steuern.
Die numerische Modellierung des PBS-Systems ist motiviert durch das steigende Interesse an der Echtzeit-Behandlungsüberwachung mit Magnetresonanztomographie (MRT), auch bekannt als MR-geführte Protonentherapie. Da sowohl die PBS-Düse als auch das MRT-System starke Magnetfelder nutzen, ist es wichtig, die gegenseitige elektromagnetische Wechselwirkung zwischen den beiden Systemen genau zu verstehen. Dies ist entscheidend für die Festlegung notwendiger Maßnahmen zur Aufrechterhaltung der MRT-Bildqualität und der Protonenstrahlenqualität.
Ein 3D-Modell der PBS-Düse.
Simulation des PBS
In diesem Blog-Beitrag konzentrieren wir uns ausschließlich auf das PBS-System. Das Modell besteht aus vier separaten Funktionsmagneten, zwei Dipolen und zwei Quadrupolen (Quads), sowie einer Strahlapertur und einer Zielebene, die das Behandlungsfeld darstellt.
Teil des PBS-Modells. Das Magnetsystem besteht aus zwei Quadrupolen, die mit Q1 und Q2 beschriftet sind, einem vertikalen Scanning-Dipol (SV) und einem horizontalen Scanning-Dipol (SH). Außerdem sind eine Strahlapertur und die Zielebene (Position des Behandlungsfeldes) dargestellt.
Die Quads sollen das Profil des Protonenstrahls formen und gewährleisten, dass es an die vorgelagerte Beschleunigerstrahlführung (nicht modelliert) angepasst ist. Der lineare Magnetfeldgradient fokussiert den Protonenstrahl in einer Querrichtung und defokussiert ihn in einer anderen Querrichtung, weshalb zwei Quads erforderlich sind. Die Stärke der Fokussierung wird durch die Eingabe der Quad-Ströme gesteuert.
Magnetfeld entlang des Mittelpunkt-Querschnitts des Quadrupols 1 (Q1). Die Richtung der Feldpfeile in der Nähe der Mitte ist zu beachten. Das Q1-Feld fokussiert den Protonenstrahl in vertikaler Richtung und defokussiert ihn in horizontaler Richtung. Der andere Quadrupol (Q2) ist um 90 Grad gedreht und verhält sich umgekehrt.
Stromabwärts der beiden Quad-Magnete befinden sich die beiden Scanning-Dipole. Diese Magnete erzeugen innerhalb ihres Polspalts ein konstantes, gleichmäßiges Feld, um den Protonenstrahl zum gewünschten Zielort abzulenken. Die Größe der horizontalen/vertikalen Ablenkung wird durch die Magnetfeldstärke bestimmt, die wiederum durch die Eingabe der Dipolströme gesteuert wird. Im Modell kann die gewünschte Zielposition (x, y) im Behandlungsfeld angegeben werden, und die erforderlichen Spulenströme werden auf der Grundlage einer festen Strahlenergie näherungsweise berechnet. Für eine feinere Einstellung der Strahlenzielposition können die Spulenströme direkt angepasst werden.
Magnetfeld des vertikalen Scanning-Dipols (SV) auf der linken Seite und des horizontalen Scanning-Dipols (SH) auf der rechten Seite.
Stromabwärts der beiden Scanning-Dipole befinden sich die Strahlapertur und das Zielisozentrum. Die Strahlapertur ist das einzige Teil der physikalischen Struktur der PBS-Düse, das modelliert wird. Der Rest der physikalischen Struktur wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit in diesem Modell weggelassen, kann jedoch in einer umfassenden Studie berücksichtigt werden.
Zur Visualisierung der Protonenstrahlbahn wird das Interface Charged Particle Tracing verwendet. Die Magnetfeldverteilung wird nahtlos in die Simulation des Particle Tracing integriert, um den Weg des Protonenstrahls genau zu bestimmen. (Die Streuung wird in diesem Modell zur Vereinfachung der Darstellung vernachlässigt.) Der Protonenstrahl variiert in der Regel über einen weiten Bereich von kinetischen Energien im MeV-Bereich, was als Modellparameter berücksichtigt wird.
Plots der Protonenstrahlbahn (rot) und der Norm der magnetischen Flussdichte entlang der yz-Ebene bzw. der xz-Ebene.
Die Abbildungen zeigen die Protonenstrahl- und Magnetfeldkonfiguration mit den nominalen Strahlpositionen x = 12 cm und y = 8 cm in der Zielebene.
Versuchen Sie es selbst
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Weiterführende Literatur
In diesen Blog-Beiträgen erfahren Sie, wie mithilfe von Simulation andere Behandlungen im Gesundheitswesen weiterentwickelt werden können:
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