Simon Michael Schalla
Dr. med.
Biologisch-physikalische Charakterisierung der Strahlenqualität schneller Neutronen
bei isozentrischer Bewegungsbestrahlung
Geboren am 24.05.1967 in Kiel
Reifeprüfung am 28.05.1986 in Altenholz-Stift
Studiengang der Fachrichtung Humanmedizin vom Sommersemester 1988 bis WS 1994/95
Physikum am 30.03.1990 an der Universität Heidelberg
Klinisches Studium in Heidelberg
Praktisches Jahr in Boston/Harvard Medical School und Ludwigsburg, Universität Heidelberg
Staatsexamen am 08.05.1995 an der Universität Heidelberg
Promotionsfach: Deutsches Krebsforschungszentrum Heidelberg
Betreuer: Prof. Dr. W.J. Lorenz
Die weltweit 21 Neutronentherapieanlagen unterscheiden sich hinsichtlich des Neutronen-
spektrums und damit auch in der Strahlenqualität und der Relativen Biologischen Wirksam-
keit (RBW). Zusätzlich werden bei ein und derselben Anlage Variationen der RBW in Ab-
hängigkeit von der Tiefe im Zentrahlstrahl sowie vom Abstand senkrecht dazu festgestellt.
Für eine isozentrische Bewegungsbestrahlung ist daher nicht auszuschließen, daß bei gleicher
applizierter Dosis unterschiedliche biologische Wirkungen an verschiedenen Punkten des
Strahlungsfeldes auftreten können.
In der vorliegenden Arbeit wird daher erstmalig die Strahlenqualität schneller Neutronen bei
isozentrischer Bewegungsbestrahlung charakterisiert. Ziel ist es festzustellen, ob am Heidel-
berger dT-Neutronengenerator KARIN (14,1 MeV-Neutronen) diese Strahlenqualitätsunter-
schiede nachweisbar und ihre klinische Relevanz für die Therapie durch Ermittlung der RBW
quantifizierbar sind. Dazu werden unter identischen, therapienahen Bedingungen radio-
biologische Experimente und mikrodosimetrische Messungen an verschiedenen Bohrloch-
positionen eines Thorax-Plexiglasphantoms durchgeführt. Dosimetrie und Bestrahlungspla-
nung erfolgen mit den für Patientenbestrahlungen vorhandenen Einrichtungen.
Strahlenwirkungen auf biologische Systeme werden mittels Zellüberlebenskurven (V79-
Hamsterlungenfibroblasten, menschliche HeLa-Zellen) nach der Methode des klonogenen
Zellüberlebens (Colony Forming Assay) bei verschiedenen applizierten Energiedosen quanti-
tativ gemessen. Anstelle der herkömmlichen Bestrahlung von Monolayerzellen in Brutfla-
schen wird als biologisches Testsystem mit hoher räumlicher Auflösung die Methode der
Zellsuspensionsbestrahlung in 1 ml-Kryoröhrchen entwickelt. Sie wird auf ihre Eignung ge-
prüft und an die Gegebenheiten der Heidelberger Therapieanlage adaptiert.
Die Gleichwertigkeit beider Methoden auch hinsichtlich möglicher Umgebungseinflüsse wird
mit Niedrig- und Hoch-LET-Strahlung (60Co-Quelle sowie Linearbeschleuniger mit 15 MV-
Photonen; dT-Neutronengenerator) bei Stehfeldern demonstriert. Die Standardfehler (SF) der
Überlebensfraktionen von V79-Zellen sind für Suspensionsbestrahlungen stets kleiner als für
herkömmliche Monolayerbestrahlungen, und zwar um den Faktor 0,8 bei 60Co-Gammastrah-
lung beziehungsweise 0,7 bei Neutronenstrahlung. Dieser Tatbestand demonstriert die genaue
Definition der applizierten Dosis innerhalb des kleineren Bestrahlungsvolumens.
Die RBW für Stehfeldbestrahlungen von V79-Zellsuspensionen mit schnellen Neutronen an
verschiedenen Bohrlochpositionen im Plexiglasphantom beträgt in einer Tiefe von 1 cm bei
einer Dosis von 0,5 Gray 3,30 ±0,28 (1SF), für sehr kleine Dosen
RBW
D→0 = 3,59. In einer
Tiefe von 8,8 cm beträgt die RBW entsprechend 3,32 ±0,14 mit
RBW
D→0 = 3,78. Signifikante
Unterschiede zu Bestrahlungen in Luft (
RBW
D→0 = 4,43) werden bei Dosiswerten kleiner 2
Gray festgestellt.
Einzeit-Rotationsbestrahlungen (± 90° um das Isozentrum) von V79-Zellsuspensionen im
Phantom ergeben für verschiedene Positionen der 50%-Isodose signifikante Unterschiede der
Überlebensfraktionen. Die für diese Positionen berechneten RBW-Werte ergeben eine maxi-
male Variation von 19%, wobei die RBW zur Oberfläche hin zunimmt. Bei willkürlicher An-
nahme eines Dosisfehlers von ±6% beträgt der Unterschied noch 13%. Dies verdeutlicht die
hohen Anforderungen an die Neutronendosimetrie bei radiobiologischen Experimenten.
Zusätzlich unter identischen Bedingungen an gleichen Bohrlochpositionen des Phantoms
durchgeführte mikrodosimetrische Messungen des Neutronenspektrums dienen zur Charak-
terisierung des Strahlenfeldes: Zum einen zeigen oberflächennahe Positionen bereits unter
Stehfeldbestrahlung mehr Anteile an langsamen Protonen mit höherem Linearem Energie-
transfer im Vergleich zu tieferliegenden Positionen. Zum anderen befinden sich tief im
Phantom liegende Positionen während einer Rotationsbestrahlung länger im Strahlenfeld als
oberflächennahe Positionen. Für letztere gilt daher, daß die Dosis hier einen größeren Beitrag
durch gestreute Neutronen enthält. Entsprechend zeigen Dosisbeiträge durch Streuneutronen
mit zunehmendem Abstand senkrecht zum Zentralstrahl durch den erhöhten Anteil an
langsamen Protonen Verschiebungen des Protonenpeaks zu höheren linearen Energiedichten.
Diese Effekte zusammen können die Variationen der RBW bei Bewegungsbestrahlung mit 14
MeV-Neutronen erklären.
Die Ortsabhängigkeit des Strahlenqualitätsparameters R, der auf Grundlage der mikrodosi-
metrischen Messungen unter Verwendung der rein empirischen Wichtungsfunktion r(y) be-
rechnet wird, deutet ebenfalls auf örtliche Variationen der RBW hin. Allerdings beträgt die
größte für unsere Meßanordnung berechnete Änderung von R 5%; sie ist damit erheblich
kleiner als die Variationen der RBW. Hieraus wird ersichtlich, daß die Mikrodosimetrie zwar
eine mit geringem Zeitaufwand durchführbare, exakte physikalische Methode zur Charakte-
risierung eines Strahlenfeldes ist, jedoch die abgeleiteten empirischen Wichtungsfunktionen
einen Nachweis der RBW mittels biologischer Systeme keinesfalls ersetzen können.
Durch zusätzliche Experimente an Neutronenquellen mit höherer Dosisleistung können voll-
ständige Überlebenskurven unter Bewegungsbestrahlung bestimmt werden. Sollten sich dort
erneut die festgestellten RBW-Unterschiede bestätigen, so ist zur Vermeidung systematischer
Fehler in einer zukünftigen Bestrahlungsplanung für schnelle Neutronen die Abhängigkeit der
RBW von der örtlichen Dosis zu berücksichtigen.
