Icon left Vorige Icon up Overzicht Volgende Icon right

Techniek van de protonenbundel

Onderwerp: Kern- & Deeltjesprocessen (vwo), Kernfysica

Begrippen: Proton

Protonenbestraling is een veelbelovende therapie voor behandeling van kanker vooral omdat hoogenergetische protonen relatief weinig schade toebrengen aan gezond weefsel rond een tumor. Het is echter niet eenvoudig om te zorgen dat de protonen precies op de juiste plek in de te behandelen tumor aankomen.

De medische aspecten van bestralingsmethode met versnelde protonen (de protonentherapie) is in een eerder artikel uitgebreid beschreven. In dit artikel gaat het over de technische aspecten van de bestraling. De essentie van protonentherapie is dat de versnelde protonen gestopt worden (hun energie kwijt raken) in de tumor. Op die manier wordt er zo veel mogelijk schade toegebracht aan de tumor met als doel de kwaadaardige cellen te doden of de deling ervan te stoppen.

 

Figuur 1: De essentie van protonentherapie. De Braggpiek van de protonenbestraling (rode curve) en de uitgesmeerde Braggpiek van de aangepaste protonenstraling (blauwe curve). Bron: Wikipedia.

De rode curve (protonenstraling) in figuur 1 is de Braggcurve met een smalle piek (de Braggpiek) op ruim 20 centimeter diepte. Protonen staan de meeste energie per lengte-eenheid af in het gebied van de piek. De smalle piek betekent dat veel energie terechtkomt op een klein en nauwkeurig bepaalde diepte in het lichaam. Een tumor is echter vaak groter dan dit gebied.

De blauwe curve is van belang voor daadwerkelijke therapie. Dit is de aangepaste protonenstraling of ‘spread-out Bragg peak’. Deze heeft een brede piek of plateau die aangeeft dat in een veel groter gebied de maximale energie terechtkomt. Dit wordt gebruikt in de therapie.

Het doel van de protonenbestraling is om zo veel mogelijk energie in de gehele tumor achter te laten. Dat betekent dat de opvallende stroom protonen (de bundel) de juiste energieverdeling moet hebben om de gehele dikte (in de diepterichting) te bereiken en breed genoeg moet zijn om de totale omvang van de tumor te bereiken.

Protonen en materie

Om te begrijpen hoe dit te realiseren is, is het goed om eerst te weten hoe protonen inwerken op een materiaal (bijvoorbeeld water, metaal of een lichaam). De twee belangrijkste interacties zijn vertraging en verstrooiing.

Als protonen met een hoge energie een materiaal binnendringen, zullen ze energie verliezen door de botsing met de elektronen in het materiaal. Door de kleine massa van de elektronen veranderen de protonen dan nauwelijks van richting, maar ze remmen wel af. Denk hierbij maar aan een zware kogel die onderweg tegen lichte kogeltjes aanbotst.

Protonen kunnen natuurlijk ook botsen met de atoomkernen in het materiaal. Kernen zijn zwaarder dan protonen zodat bij deze interactie de protonen juist wel van richting veranderen en relatief veel energie verliezen. Dit noemen we verstrooiing.

Het interessante is dat de sterkte van deze twee processen afhangt van het soort materiaal dat getroffen wordt door de protonen. Hoe hoger het atoomnummer (denk aan lood, met Z=82), hoe meer verstrooiing er optreedt. Hoe lager het atoomnummer (bijvoorbeeld koolstof, Z=6), hoe meer de vertraging zal overheersen.

Protonenbundel

Protonen krijgen een hoge snelheid in een versneller, bijvoorbeeld een cyclotron waarvan het principe in figuur 2 te zien is. In een bron ontstaan de protonen die spiraliserend versneld worden en uiteindelijk met hoge energie en in een dunne bundel het cyclotron verlaten. De exacte werking van een cyclotron is onder andere te vinden op Wikipedia.

 

Figuur 2: Principe van het cyclotron. De protonenbron bevindt zich in het midden (blauwe bolletje). De versnelde bundel gaat spiraalsgewijs naar buiten, waar deze aan de rechterkant uittreedt. Bron: Wikipedia.

Deze bundel wordt door een buis met een diameter van ongeveer 10 centimeter naar de te behandelen patiënt geleid. In deze buis heerst vacuüm, in lucht zou de bundel te veel verstrooien.

Drachtmodulatie

Voor de protonentherapie is het van belang dat de piek van de Braggcurve in de tumor ligt. De diepte waarop die piek ligt, hangt af van de energie van de opvallende protonen. Hoe lager deze energie is, hoe meer de piek naar links verschuift in de grafiek van figuur 1 (minder diep in het lichaam). Protonen komen met een vaste energie uit het cyclotron, typisch een waarde van 230 - 250 MeV. Het genoemde proces van vertraging wordt gebruikt om de bundelenergie buiten het cyclotron aan te passen.

De eenvoudigste manier hiervoor is de bundel door een  zogenaamde drachtmodulator (een plaatje van heel specifiek materiaal) te laten gaan zodat de deeltjes vertragen, dat wil zeggen energie verliezen. Hoe dikker het plaatje, hoe meer energie de bundel kwijtraakt en dus hoe minder diep de Braggpiek in de patiënt ligt. Door nu steeds afwisselende diktes te nemen ‘scant’ de protonenbundel als het ware de gehele diepte van de tumor. Dit geeft de eerder genoemde ‘spread-out Bragg peak’ of SOBP. Deze zorgt voor een goede verdeling van de protonenergie over de diepte van de tumor. In figuur 1 is dat weergegeven als aangepaste protonenstraling.

Veel gebruikte materialen voor dit proces van drachtmodulatie hebben een laag atoomnummer. In figuur 3 is een drachtmodulator in een wielvorm te zien. Deze draait rond in de protonenbundel en selecteert zo steeds een andere dikte.

 

Figuur 3: Wiel voor drachtmodulatie. De dikte van het plastic loopt op zodat de energie van de protonenbundel afneemt. Bron: S. Brandenburg

Verstrooiing

Met drachtmodulatie kan de diepte van de bestraling dus worden aangepast. Maar daarmee zijn we er niet. Een bundel protonen die uit een cyclotron komt, is namelijk ongeveer 7 mm breed. Je moet er rekening mee houden dat een tumor mogelijk 10 centimeter breed (en hoog) is. Om deze helemaal in een keer te bestralen moet de bundel verbreed worden. Hiervoor zorgen verstrooiers. Dit zijn plaatjes van materiaal met een hoog atoomnummer (bijvoorbeeld lood). Protonen verstrooien aan de atoomkernen waardoor de bundel wijder wordt.

Door slim gebruik te maken van verstrooiing en drachtmodulatie ontstaat een protonenbundel waarmee de hele tumor in een keer bestraald kan worden. Hierbij zijn hoogte en breedte allebei maximaal 30 centimeter en de diepte 15 centimeter.

Pencil beam scanning

In de hiervoor beschreven methode wordt de vorm en energie van de bundel zo aangepast dat de gehele tumor in een keer bestraald wordt. Er is nog een andere methode om de juiste dosis protonen in de tumor te krijgen: pencil beam scanning. Deze methode wordt in nieuwe behandelcentra voor protonentherapie het meest toegepast.

Zoals de naam aangeeft, gaat het om een dunne bundel protonen. Anders dan bij de eerste methode van verstrooiing, wordt de bundel niet breder gemaakt. Het zijn actieve elementen (magneten) in de bundellijn, die de protonen sturen op een steeds andere plek van de tumor richten.

Wanneer de versnelde protonen een magneetveld passeren, zullen ze door de lorentzkracht afbuigen. Door het magneetveld snel in sterkte te variëren zodat de bundel meer en minder wordt afgebogen, zal de dunne bundel heen en weer bewegen en een tumor als het ware scannen. Met een wisselend magneetveld in horizontale en in verticale richting kun je zo een gebied zo groot als de tumor bestrijken. Dit kun je het beste vergelijken met de werking van een oude televisie met een kathodestraalbuis.

Drachtmodulatie bepaalt ook in deze methode de plek waarop de Braggpiek ligt en dus het punt waarop de meeste energie van de protonen terechtkomt. Zo wordt ook de diepterichting van de protonenbundel ingesteld.

Er zijn meerdere manieren om de tumor op deze manier te scannen. De bundel kan gelijkmatig over de tumor glijden of juist stapsgewijs. Hierbij hoort een verschil in hoe lang iedere plek van de tumor bestraald wordt. Dit kan op basis van tijd (een aantal seconden), maar ook op basis van de afgeleverde dosis.

De patiënt

Met de beschreven technieken kan de bundel voor iedere tumor op maat gemaakt worden. Een laatste punt om bij bestraling rekening mee te houden is dat een patiënt niet mag bewegen. Bij beweging verschuift de tumor ten opzichte van de bundel waardoor mogelijk het verkeerde weefsel geraakt wordt. Onderzoek wijst uit dat zeker in vervelende houdingen het voor een patiënt lastig is om meer dan vijf minuten exact stil te liggen.

 

Veel dank gaat uit naar Sytze Brandenburg van KVI-CART in Groningen voor hulp bij het schrijven van dit artikel.