Die Protonentherapie ist eine Hochpräzisionsbestrahlung

Bei der konventionellen Strahlentherapie mit Röntgenstrahlung nimmt die Dosis, die im Gewebe platziert wird, mit zunehmender Eindringtiefe in den Körper kontinuierlich ab. Damit liegt das inkorporale Dosismaximum direkt unter der Haut. Allein durch Bestrahlung des Tumors aus verschiedenen Richtungen wird die Dosis im Tumor höher als im umgebenden Gewebe, und so die Schädigung der Tumorzellen erreicht. Allerdings wird dadurch auch das benachbarte gesunde Gewebe mit der Strahlendosis belastet. Im Gegensatz dazu haben Protonen einen völlig anderen Dosisverlauf: Sie dringen in den Körper ein und hinterlassen zunächst verhältnismäßig wenig Dosis, erst kurz bevor sie stoppen, erreichen sie ihr Wirkungsmaximum, den sogenannten Bragg-Peak. Dahinter, in noch größerer Tiefe, resultiert praktisch keine Dosis mehr. Die Tiefe, in der dieses Dosismaximum entsteht, lässt sich über die Energie (Geschwindigkeit) der Protonen steuern. Somit ist eine erhebliche Steigerung der wirksamen Dosis zur Abtötung der Tumorzellen bei gleichzeitiger Verringerung der Strahlendosis im gesunden Gewebe um bis zu zwei Drittel möglich. Nebenwirkungen der Strahlentherapie in der Nachbarschaft des Tumors, und das insbesondere bei Kindern bestehende Risiko eines strahleninduzierten Zweittumors sind minimiert. Es können Tumorerkrankungen behandelt werden, bei denen eine Bestrahlung bisher zu riskant oder ineffektiv war.

Beschleunigung der Protonen im Zyklotron

Aus ionisiertem Wasserstoffgas gewonnene Protonen werden in einem Teilchenbeschleuniger, dem Zyklotron, mit Hilfe elektrischer und magnetischer Felder in Spiralbahnen auf 60 % der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Wenn sie sich am äußeren Rand des Zyklotrons befinden und ihre Endenergie erreicht haben, werden die Protonen in die Strahlführung ausgekoppelt.

Da die Reichweite der Protonen von ihrer Energie abhängt, ist es möglich, ihre Eindringtiefe in das zu behandelnde Gewebe zu steuern: Die Protonen verlassen das Zyklotron mit maximaler Energie und durchlaufen danach eine Energieselektionseinheit, in der sie auf die erforderliche Energie heruntergebremst werden. Auf diese Weise ist es möglich, die Eindringtiefe präzise der räumlichen Position des Tumors anzupassen und ihn in der Tiefe abzurastern.

Strahlführung zum Behandlungsplatz

Der aus dem Zyklotron geleitete Protonenstrahl wird durch ein Vakuumstrahlrohr zu den Behandlungsplätzen geleitet.

Damit der Protonenstrahl stets fokussiert bleibt, wird er durch Magnetlinsen (Quadrupole) geführt. Ablenkmagnete dienen als Weichen zu den einzelnen Behandlungsplätzen.

Bestrahlung des Tumors

In der Gantry mündet das Strahlrohr in einen Bestrahlungskopf, die sogenannte Nozzle. Sie ist das letzte Teil der Strahlführung und befindet sich unmittelbar über der Patientenliege. Die gesamte Konstruktion der Gantry selbst ist volle 360° um den Patienten drehbar.

Die Nozzle dient dazu, den Strahl in den Richtungen quer zum Strahl abzulenken. Das Verfahren funktioniert wie das Abtastverfahren einer Bildröhre: Durch Ablenkmagnete wird der Strahl in zwei Dimensionen über die Fläche des Tumors gerastert. Die dritte Dimension, die Eindringtiefe, wird durch die oben bereits beschriebene Abbremsung der Protonen eingestellt.

Der Patient wird mit Hilfe einer Konturliege präzise in die Lage gebracht, in welcher der zu bestrahlende Tumor sich in der gewünschten Position befindet.

Ein röntgengestütztes Zielsystem stellt sicher, dass die Protonen stets genau die gewünschte Stelle bestrahlen.

Kapazität

Bei einer Behandlungssitzung wird der Strahl hintereinander aus verschiedenen Richtungen (2 bis 4 so genannten Feldern) appliziert. Die übliche Bestrahlungsdauer pro Feld liegt zwischen 60 und 90 Sekunden, danach kann der Strahl zum nächsten Behandlungsplatz weitergeschaltet  werden. Die durchschnittliche Therapiesitzung inkl. der Vorbereitung des Patienten und des Behandlungsplatzes dauert 15 Minuten. Bei maximaler Auslastung im kontinuierlichen Zweischichtbetrieb steht die Anlage an 6 Wochentagen jeweils 16 Stunden für die therapeutische Bestrahlung zur Verfügung. Die übrige Zeit ist für Service- und Wartungsarbeiten eingeplant.

Die technische Maximalkapazität der Anlage ist auf jährlich ca. 3.000 Patienten mit je 20 Bestrahlungen (Fraktionen) ausgelegt. Sie reicht aus, um das maximal erwartete Patientenaufkommen am Ende des Planungshorizonts abzudecken. Etwaige nicht genutzte Bestrahlungszeiten der Anlage können den wissenschaftlichen Partnern und Universitätskliniken für Forschungszwecke zur Verfügung gestellt werden.