Terug

Tumoren behandelen met protonen
Marjan Dwarswaard

16 april 2018

Tumoren behandelen met protonen

Publicaties

Technische ontwikkelingen op het gebied van radiotherapie gaan de laatste decennia erg hard. Een van deze ontwikkelingen is het gebruik van protonen, een uitbreiding op het bestaande gamma van bestaande therapieën.

Beeldvorming

Nadat bij een patiënt de diagnose kanker is gesteld kan protonentherapie één van de behandelopties zijn, afhankelijk van de specifieke indicatie. Welke patiënten in aanmerking komen is vastgesteld in het Protonenbestraling Signalement. In dit rapport is een onderverdeling gemaakt in verschillende typen indicatiegebieden voor protonentherapie. Eén daarvan is de groep zogenaamde ‘standaardindicaties’. Voor deze groep geldt dat er consensus is dat protonentherapie bij die indicaties een geaccepteerde vorm van zorg is. Voorbeelden van standaardindicaties zijn bepaalde types oogtumoren, hersentumoren en tumoren bij kinderen.

Daarnaast is er een groep patiënten waarvoor per individuele patiënt een protonen- en fotonenbestralingsplan zal worden gemaakt en vergeleken, de ‘model-based indicaties’. Voor beide plannen wordt de best mogelijke combinatie van methoden gebruikt om een zo eerlijk mogelijke vergelijking te kunnen maken. Als de dosisberekening voor een behandeling met protonen beduidend beter is zal dit traject worden verkozen.

Indien de patiënt in aanmerking komt voor protonentherapie zal op basis van een CT-scan voor iedere individuele patiënt een nieuw bestralingsplan worden gemaakt.

Daarvoor wordt voorafgaand aan de behandeling in bestralingshouding een CT-scan gemaakt. In bestralingshouding wil zeggen: met gebruik van eventuele steunen, een masker en vlakke tafel. Bij een verschil in houding tijdens het maken van de planning-CT en de bestraling zullen er verschillen optreden tussen de geplande dosis en de uiteindelijke dosisafgifte. Omdat de dosisafgifte zo sterk begrensd is bij het gebruik van een protonenbundel moeten de omstandigheden identiek zijn (en blijven). Als dat niet het geval is komt de Bragg peak (en daarmee de maximale dosisafgifte) namelijk op de verkeerde plaats te liggen in het lichaam van de patiënt. Dit heeft nog grotere gevolgen dan bij gangbare fotonentherapie doordat de Bragg peak mogelijk verschuift naar een gebied dat volgens de dosisberekening juist een erg lage dosis zou ontvangen.

De CT-scanner die bij HollandPTC geïnstalleerd is beschikt over de mogelijkheid om Dual Energy scans te maken. Bij Dual Energy CT wordt gebruik gemaakt van een dubbel spectrum met een verschillend kVp, op deze wijze kan meer informatie over het in beeld gebrachte weefsel worden verkregen.
De Hounsfield Units van de CT-scan worden doorgaans vertaald naar relatieve elektronendichtheid. Dit is de fysieke dichtheid voor dosisberekeningen in het treatment planningsysteem. Voor protonenberekeningen is de relative stopping power echter betrouwbaarder. Met Dual Energy CT-scans kan (op termijn) een extra onzekerheid worden weggenomen doordat er geen tussenstap nodig is.

Naast de Dual Energy CT-scanner zijn ook een PET/CT- en een 3T MRI-scanner geïnstalleerd bij HollandPTC die in aanvulling op de CT beeldvorming zullen worden ingezet. Beide scanners bieden aanvullende informatie die kan worden ingezet voor een nauwkeuriger intekening van de tumor en organen die gespaard moeten worden bij de bestralingen. De PET/CT-scanner biedt fysiologische informatie als aanvulling op de CT-scan. Met de MRI-scanner is het mogelijk door middel van specifieke sequenties anatomische structuren beter te onderscheiden en functionele informatie te verkrijgen. In beide gevallen worden houdingen en hulpmiddelen zoveel mogelijk gelijk gehouden aan die bij de bestraling. Door de beelden in het treatment planningsysteem te fuseren worden de eigenschappen van de verschillende modaliteiten gecombineerd.

Ook tijdens en na de behandeling zullen deze beeldvormende apparaten worden ingezet bij treatment response monitoring en follow-up scans om meer data te verzamelen over de effecten van protonentherapie. De effectiviteit van de behandeling en kwaliteit van leven zijn immers nog lang na de behandeling van belang om de meerwaarde van protonentherapie aan te tonen ten opzichte van fotonentherapie of eventuele andere ontwikkelingen (zoals MRI-versnellers).

Inleiding

Het gebruik van een protonenbundel binnen de radiotherapie heeft als voordeel dat bij interactieprocessen de energieafgifte, de geabsorbeerde dosis, hoofdzakelijk in een sterk begrensd gebied plaatsvindt. Dit gebied wordt ook wel de Bragg peak genoemd. De diepte in weefsel waar deze Bragg peak terecht komt kan nauwkeurig worden ingesteld door de energie van de bundel te variëren. Door het gebruik van protonen in de radiotherapie kan het omliggende weefsel beter worden gespaard in vergelijking met een fotonenbundel. Deze fysische eigenschappen van protonen en ervaringen uit het buitenland wijzen erop dat de kans op bijwerkingen op langere termijn geringer is.

Ondanks dat de achterliggende fysische principes en voordelen helder zijn blijkt de praktische implementatie van protonentherapie complex. Al in 1946 werd internationaal het eerste voorstel gedaan voor het gebruik van protonen voor medische toepassingen. In 2009 publiceerde de Nederlandse Gezondheidsraad een rapport[1] waarin protonentherapie een veelbelovende techniek werd genoemd om bepaalde tumoren met meer precisie te behandelen dan via de gangbare fotonentherapie. In opdracht van het Ministerie van VWS is een prognose[2] gemaakt hoeveel patiënten in aanmerking zouden komen voor deze behandeling vanaf 2020 en hoeveel centra in Nederland daarvoor nodig zouden zijn. Hieruit zijn verschillende initiatieven voortgekomen. In 2015 is een start gemaakt met de bouw van een nieuwe kliniek gevestigd in Delft, HollandPTC. In het gebouw is geavanceerde medische apparatuur van Varian, Siemens en Philips geïnstalleerd die nodig zijn voor de uitgebreide behandelings- en onderzoeksdoelen die HollandPTC zich heeft gesteld.

De route die door de patiënt wordt afgelegd, waarbij de bijbehorende fysisch medische aspecten in het bijzonder worden belicht, staan in dit artikel centraal.

Treatment planning

Nadat er van de patiënt een CT-scan gemaakt is in de bestralingshouding kan er een bestralingsplan worden opgesteld. Op basis van de CT-scan, en eventueel aanvullende beeldvormende technieken, worden het doelvolume (de tumor) en omliggende structuren ingetekend. Tijdens een multidisciplinair overleg is van tevoren al bepaald hoeveel dosis aan de tumor moet worden toegediend. Bij het vervaardigen van het bestralingsplan wordt tevens rekening gehouden met de maximale dosis die omliggende weefsels mogen ontvangen.

Het bestralingsplan wordt op zo’n manier geoptimaliseerd dat het plan bestand is tegen onzekerheden die plaats kunnen vinden tijdens de bestraling. Dit kan bijvoorbeeld een afwijkende ligging van de patiënt zijn ten opzichte van de voorbereidende CT-scan, maar ook andere mechanische en fysische factoren die van invloed zijn op de plaats de dosis precies wordt afgegeven.

 

 

 

Het tot stand komen van de bundel

Voor het opwekken van de protonenbundel zijn protonen benodigd zonder bijproducten. Hiervoor wordt waterstof gebruikt dat ontdaan wordt van elektronen door een sterk magnetisch veld zodat enkel de waterstofkernen overblijven. De kern van het waterstofelement heeft de handige eigenschap dat het bestaat uit één enkel proton (geen neutronen) zodat er geen andere nucleonen gescheiden hoeven te worden. De waterstofionen/protonen moeten daarna worden versneld. Dat kan op verschillende technieken, waarbij de op dit moment meest gebruikte het cyclotron is doordat deze een relatief compacte omvang heeft. Het gebruik van een supergeleidend cyclotron (gekoeld met vloeibaar helium) kan de dimensies nog wat verder drukken. Ook bij HollandPTC wordt gebruik gemaakt van een supergeleidend cyclotron.

In het 90 ton wegende cyclotron worden de protonen met sterke schakelende potentiaalverschillen versneld tot een energie van ongeveer 250 MeV. Protonen maken in ongeveer 18 µs zo’n 650 rotaties in het cyclotron wat gelijk staat aan een afgelegde weg van 1,6 km.

Nadat de protonen het cyclotron verlaten (extractie) vervolgen ze hun weg in de bundellijn. De bundellijn is een vacuümbuis, met een diameter van 8 centimeter. Om de bundellijn heen staan op vaste afstanden magneetspoelen die de bundel kunnen sturen en focusseren om verliezen tegen te gaan. De bundellijn zorgt ervoor dat de protonenbundel op elke benodigde plaats in de kliniek kan komen en bestrijkt vrijwel de hele lengte van het gebouw.

 

Direct na extractie uit het cyclotron volgt een van de belangrijkste elementen in de keten, het energieselectiesysteem (ESS). Een belangrijk onderdeel van het ESS is de degrader, deze bestaat uit een aantal over elkaar heen schuivende wigvormige elementen (doorgaans grafiet). Het materiaal dat in de bundel wordt geschoven verlaagt de energie van de bundel. Het systeem kan snel (~ 0,5 s) de energie aanpassen door de wiggen verder of minder ver de bundel in te schuiven. De energie kan zo gevarieerd worden van ongeveer 70 MeV tot 245 MeV. Daarna wordt de bundel via de bundellijn getransporteerd naar één van de vier bestralingsruimtes die bij HollandPTC zijn ingericht.

Bestralingsruimtes

HollandPTC heeft de beschikking over vier bestralingsruimtes, twee met een gantry, één voor oogbehandelingen en één voor onderzoeksdoeleinden. De gantries, met een diameter van 9 meter en een gewicht van 280 ton, kunnen om de patiënt heen draaien zodat een bestraling vanuit meerdere richtingen mogelijk is.

De verst gelegen bestralingsruimte is geschikt gemaakt voor de behandeling van oogtumoren. Aangezien dit in het algemeen kleine en relatief ondiep gelegen doelgebieden zijn is een gantry niet nodig. De behandelruimte beschikt daarom over een vaste bundel en een speciale stoel om de patiënt nauwkeurig te kunnen positioneren en fixeren. De energie van de protonenbundel wordt verder verlaagd door gebruik te maken van materialen die in de bundel worden gebracht.

 

De vierde bestralingsruimte is bestemd voor onderzoeksdoeleinden. Deze ruimte heeft een vaste bundel en biedt de mogelijkheid om uitgebreide onderzoeksopstellingen te realiseren. De richting van de bundel kan niet worden gevarieerd, alleen de energie. Deze bestralingsruimte zal worden gebruikt door wetenschappers voor een grote veelzijdigheid aan projecten, zoals onderzoek aan materialen en interactieprocessen met hoogenergetische protonenstraling.

Vanuit een logistiek oogpunt vormen deze verschillende ruimtes wel een uitdaging. Er is immers maar één bundel en die kan niet op vier verschillende plaatsen tegelijkertijd zijn. Tijdens het behandelen van patiënten is er relatief veel tijd nodig voor het begeleiden, voorbereiden en instellen voorafgaand aan het daadwerkelijke bestralingsmoment. In deze tijd kan de bundel in de overige ruimtes gebruikt worden. De bedieningssoftware (ProBeam) houdt bij naar welke ruimte de bundel op welk moment moet worden gestuurd en met welke energie. De onderzoeksruimte kan alleen gebruikt worden buiten het klinische programma. Naast patiëntbehandeling en onderzoek is er ook tijd nodig voor onderhoud, machine-QA en patiënt-QA.

 

 

 

 

Gantries

De gantryruimtes vormen een belangrijk en complex gedeelte van HollandPTC.

 

In beide gantryruimtes is een CT-scanner geïnstalleerd welke op rails staat, ook wel een sliding CT-scanner genoemd. In tegenstelling tot een conventionele opstelling wordt daarbij niet de tafel met de patiënt door de opening van de scanner geschoven maar wordt de volledige CT-scanner rondom de tafel en patiënt bewogen. De behandeltafel is op een robotische arm geïnstalleerd en kan bewegen tussen de positie van de CT-scanner en de protonengantry.

Het grote voordeel van deze opstelling is dat de patiënt op de bestralingstafel wordt gepositioneerd en vervolgens zowel een CT-scan als de behandeling kan worden uitgevoerd zonder extra positionering (en bijbehorende onnauwkeurigheden).

Met de CT-scanner wordt voor de bestraling een scan gemaakt waarbij de patiënt in de bestralingshouding ligt met bijbehorende hulpstukken en/of masker. De scan wordt direct beoordeeld. De positie van de patiënt kan worden gecontroleerd en als het doelvolume is veranderd kan het bestralingsplan worden aangepast. Door de grote mate van complexiteit zal deze adaptieve vorm van protonentherapie pas in een later stadium worden geïmplementeerd.

 

Direct na het maken van de CT-scan wordt de tafel naar de protonengantry bewogen om de behandeling te kunnen uitvoeren.

De protonengantry is uitgerust met twee kV systemen waar orthogonale (kV-) opnames van de patiënt gemaakt kunnen worden zodat ook nu de positionering kan worden geverifieerd en de isocentra van de CT-scanner en orthogonale kV-panels (effectief de protonengantry) aan elkaar kunnen worden gekoppeld. Met deze kV-systemen kan ook een cone beam CT gemaakt worden. Met deze technieken kan worden bepaald hoe de tafel verschoven of gedraaid moet worden zodat de patiënt in exact de juiste positie wordt bestraald.

De bestraling

De protonenbundel die de gantryruimte binnenkomt, is een zogenaamde pencil beam. Een erg smalle bundel, met een diameter van ongeveer een halve cm. Deze bundel wordt in drie richtingen gemoduleerd zodat het gehele tumorgebied kan worden bestreken. In de richting loodrecht op de bundel-as wordt het bestralingsveld gemoduleerd door magneten. De bundel kan op elke positie worden gepositioneerd in een vlak met maximale afmetingen van 30 bij 40 cm2. In de richting evenwijdig aan de bundelrichting wordt de bundel gemoduleerd door de energie van de protonenbundel te variëren (zie cyclotron, ESS). Het dosisvolume wordt opgebouwd door met de hoogste energie te beginnen. Laag voor laag wordt de dosis afgegeven op een manier die zich het beste laat vergelijken met de werking van een 3D printer. Doordat de energie van de bundel wordt gemoduleerd bij het energieselectiesysteem aan het begin van de bundellijn en de sturing van de bundel in de nozzle van de gantry plaatsvindt, is een uiterst nauwgezette afregeling en communicatie tussen de betrokken systemen nodig. Het gehele proces speelt zich bovendien af op een erg korte tijdsschaal.

Ondanks deze complexe methode om het doelvolume volledig van de juiste dosis te voorzien zal het daadwerkelijk proces van bestralen niet langer duren dan een conventionele fotonenbehandeling.

 

Door de (aanstaande) protonencentra in Nederland (en daarbuiten) wordt nauw samengewerkt op zowel medisch als fysisch vlak om de introductie en uitvoering van protonentherapie zo goed mogelijk te laten verlopen. Door de grote mate van kennisdeling wordt sneller data verzameld die nodig is om de aanvullende waarde van protonentherapie te kunnen aantonen. Dat bewijs is dankzij de kleine omvang van het gebied nog niet onomstotelijk geleverd. We kijken ernaar uit om met HollandPTC de komende jaren hier aan mee te mogen werken.

 

Missie 

De missie van HollandPTC is patiënten de beste protonentherapie te geven die er op dit moment voor ze is, in een veilige en gastvrije omgeving waar zezorgzaam en zorgvuldig behandeld worden. Daarnaast is het onze opdracht de toegevoegde waarde van protonentherapie aan te tonen in samenwerking met de nationale en internationale radiotherapeutische en oncologische gemeenschap. We doen dit vanuit de ambitie een vooraanstaand instituut te worden voor therapie en wetenschappelijk onderzoek. Onze kernwaarden zijn: zorgzaam & zorgvuldig, verbindend & energiek, professioneel & innovatief.

Toon alle referenties

Auteur