Strahlenphysik

Bei MedAustron werden zukünftig Krebspatientinnen und Krebspatienten mit therapeutischen Kohlenstoff- und Protonenstrahlen behandelt werden. Obwohl diese synchrotron-basierte Anlage in erster Linie für die Bereitstellung therapeutischer Bestrahlung optimiert wurde, besteht auch die Möglichkeit Forschung im Bereich der Strahlungsphysik zu betreiben. Ein nichtklinischer Bestrahlungsraum steht ausschließlich fzur Durchführung von Experimente zur Verfügung. Dort können Protonenstrahlen mit einer Energie bis zu 800 MeV und Kohlenstoffionenstrahlen mit einer Energie bis zu 400 MeV pro Nukleon experimentell genutzt werden. Für die nächsten Jahre plant die Forschungsgruppe Strahlenphysik die Arbeit an folgenden Themen:

  1. experimentelle und theoretische Untersuchungen der inelastischen Wechselwirkungsquerschnitte von Kern-Kern-Reaktionen;
  2. Messungen der Energie- und Dosisverteilungen in anthropomorphen Phantomen mittels passiver Detektoren, z.B. Thermoluminiszenzdetektoren und Kernspurdetektoren aus Kunststoff und Vergleich der Ergebnisse mit Monte-Carlo Codes für den Transport von Partikeln und schweren Ionen und mit Bestrahlungsplanungssystemen;
  3. Verbesserung und Erweiterung von Monte-Carlo Codes für den Transport von Partikeln und schweren Ionen;
  4. Untersuchung der Effekte ionisierender Strahlung mit verschiedenem Linearen Energietransfer (LET) auf die Desoxyribonukleinsäure (DNS);
  5. Reichweiteüberprüfung mit Positronen-Emissions-Tomographie (PET).

Die Kenntnis der Wirkungsquerschnitte von Kern-Kern-Reaktionen spielt eine große Rolle, nicht nur in der Physik als eine grundlegende Größe zur Beschreibung von Kernreaktionen und der Produktion von Kernfragmenten während eines Wechselwirkungsprozesses, sondern auch für die Bestrahlungsplanung bei Protonen- und Ionenstrahltherapie für eine präzise Dosisapplikation in der Tumorregion. Aufgrund des Fehlens von experimentellen Daten sind systematische Messungen der Wirkungsquerschnitte für alle relevanten Energien und Projektil-Target-Kombinationen, die bei MedAustron verfügbar sind, geplant.

Die Messungen der Dosis- und LET in anthropomorphen Phantomen werden mit passiven Detektoren, z.B. Thermoluminiszenzdetektoren und Kernspurdetektoren aus Kunststoff durchgeführt. Die Ergebnisse sollen für einen Vergleich verschiedener Monte-Carlo-basierten Partikeltransport-Codes und des Bestrahlungsplanungssystems von RaySearch verwendet werden. Alle Wirkungsquerschnittsmessungen, Dosis- und Energieverteilungen werden auch für die Verbesserung und Erweiterung von Partikeltransport-Codes genutzt.

Da immer mehr Krebspatientinnen und Krebspatienten eine Protonen- oder Ionenstrahltherapie erhalten, und es Pläne für eine bemannte Marsmission und lange Missionen zum Mond gibt, ist ein besseres Verständnis der biologischen Effekte von Strahlung mit hohem LET notwendig. Komplexe DNS-Schädigung wird als Vorstufe von genetischer Instabilität und Krebsentstehung angesehen. Da DNS auch als einfache und zuverlässige Grundlage zur Messung der biologischen Strahlenschäden ohne Reparatur und späten zellulären Effekten ist, soll geclusterte DNS-Schädigung durch Hoch-LET Strahlung im Detail untersucht werden.

Die physikalischen Eigenschaften von Ionenstrahlen erlauben eine präzise Dosisapplikation im Tumor. Insbesondere ermöglicht der steile Dosisabfall hinter dem Bragg-Peak die Behandlung von tiefsitzenden Tumoren in der Nähe zu Risikoorganen. Auf der anderen Seite macht dieses scharfe Dosisprofil eine Reichweitenüberprüfung wünschenswert. Eine Methode die tatsächliche Reichweite des Strahls im menschlichen Gewebe zu verifizieren ist PET. Bei MedAustron soll dafür ein kommerzieller PET-Scanner genutzt werden, der sich in der Nähe zu den Bestrahlungsräumen befindet. PET wird hier im off-line Modus angewandt, d.h. die Patienten werden im Anschluss an die Bestrahlung zum PET-Scanner transportiert.

Die Reichweitenverifikation mittels PET basiert auf den  β+-emittierenden Nukliden, die während der Bestrahlung im Körper des Patienten als Nebenprodukt der Behandlung entstehen. Genauer gesagt, resultieren sie aus Kernreaktionen zwischen dem Teilchenstrahl und Atomkernen im Gewebe. Zum Beispiel entsteht C-11, das eine Halbwertszeit von 20 Minuten hat. Aus den PET-Messungen lässt sich die Dosis nicht direkt ableiten. Deswegen wird eine Simulation benötigt, die die  β+-Aktivität und schließlich die PET-Messung vorrausberechnet, um einen Vergleich zu den gemessenen PET-Daten zu ermöglichen. Im Idealfall werden die gemessenen und die vorhergesagten Daten mit demselben Algorithmus rekonstruiert. Ein Softwarepaket für die Berechnung der PET-Messung sowie für die Bildanalyse und den Bildvergleich wird am MedAustron etabliert.

Mithilfe von PET-Messungen unter Nutzung verschiedener Targetmaterialien kann auch die Anzahl der  β+-emittierenden Isotope gemessen werden. Diese Methode erhöht das Wissen über die entsprechenden Querschnitte.