Photonenbestrahlung und Protonen: der physikalische Unterschied

Photonen und Protonen unterscheiden sich vor allem darin, wie sie ihre Energie im durchdrungenen Gewebe abgeben. Photonenstrahlung erreicht kurz unter der Oberfläche ein Maximum und nimmt danach mit zunehmender Tiefe allmählich ab; Protonen geben den Großteil ihrer Energie in einer von der Anfangsenergie abhängigen Tiefe ab und werden dort gestoppt.

Dieser Beitrag erklärt die physikalischen Begriffe hinter diesem Unterschied — Tiefendosiskurve, Aufbaueffekt, Bragg-Peak. Er enthält keine Aussage darüber, welches Verfahren in einer bestimmten Situation vorgesehen ist oder infrage kommt; das legt das Behandlungsteam fest. Einen breiteren Überblick über beide Verfahren gibt Protonentherapie und Photonenbestrahlung — der Unterschied, die Einordnung ins Gesamtthema Strahlentherapie beim Gliom (Photonenbestrahlung) — Überblick.

Was Photonen und Protonen physikalisch sind

Photonen sind Quanten elektromagnetischer Strahlung — dieselbe Art von Teilchen, aus denen auch Licht und Röntgenstrahlung bestehen. Sie tragen keine elektrische Ladung und haben keine Ruhemasse. In der Strahlentherapie werden hochenergetische Photonen eingesetzt, die in einem Linearbeschleuniger erzeugt werden.

Protonen sind dagegen Bestandteile von Atomkernen: positiv geladene Teilchen mit Masse. Sie werden in eigenen Anlagen — einem Zyklotron oder Synchrotron — auf hohe Geschwindigkeit gebracht und über ein Strahlführungssystem in den Behandlungsraum geleitet. Wie ein Linearbeschleuniger für Photonen aufgebaut ist, beschreibt Linearbeschleuniger: was das Gerät ist und wie eine Sitzung abläuft.

Die Tiefendosiskurve: der zentrale Begriff

Um zu beschreiben, wie eine Strahlenart Energie im Gewebe abgibt, wird die sogenannte Tiefendosiskurve verwendet. Sie zeigt, wie viel Dosis in welcher Gewebetiefe ankommt. Diese Kurve sieht für Photonen und Protonen grundlegend verschieden aus — daraus ergeben sich die unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften.

Bei Photonen steigt die Dosis unmittelbar unter der Oberfläche zunächst an. Dieser Anstieg heißt Aufbaueffekt oder Build-up und ist der Grund, warum die Haut bei hochenergetischen Photonen weniger Dosis erhält als tiefer liegendes Gewebe. Nach dem Maximum fällt die Kurve mit zunehmender Tiefe stetig ab, ohne auf null zu gehen — hinter dem Zielbereich verbleibt also weiterhin Dosis im Gewebe.

Bei Protonen verläuft die Kurve zunächst flach und steigt dann in einer bestimmten Tiefe steil zu einem ausgeprägten Maximum an. Dieses Maximum trägt den Namen Bragg-Peak, nach dem Physiker William Henry Bragg. Dahinter fällt die Dosis sehr schnell nahezu auf null ab, weil die Protonen dort abgebremst und gestoppt sind. Wie tief der Bragg-Peak liegt, hängt von der Anfangsenergie der Protonen ab und lässt sich technisch steuern.

Diese Tabelle beschreibt physikalische Eigenschaften. Sie enthält bewusst keine Bewertung, welches Verfahren in welcher Situation vorzuziehen wäre — diese Abwägung ist ärztlich und hängt von vielen Faktoren ab, die nur im konkreten Fall beurteilt werden können.

Spread-Out Bragg Peak und weitere Fachwörter

Ein einzelner Bragg-Peak ist sehr schmal und deckt nur eine dünne Gewebeschicht ab. Um ein räumlich ausgedehntes Zielvolumen zu erfassen, werden in der Praxis mehrere Protonenstrahlen unterschiedlicher Energie überlagert. Das Ergebnis heißt Spread-Out Bragg Peak, abgekürzt SOBP — ein über eine gewisse Tiefe verbreitertes Dosisplateau.

Zwei weitere Begriffe tauchen in diesem Zusammenhang auf. Pencil Beam Scanning bezeichnet ein Verfahren, bei dem ein dünner Protonenstrahl das Zielvolumen punktweise abrastert. Der Begriff relative biologische Wirksamkeit, abgekürzt RBW oder englisch RBE, beschreibt, dass gleiche Energiemengen verschiedener Strahlenarten im Gewebe nicht identisch wirken; er wird in der Planung als Rechenfaktor berücksichtigt. Zur Einheit der Dosis siehe Gray (Gy): was die Einheit in der Strahlentherapie beschreibt.

• Photonen sind ungeladene Quanten, Protonen geladene Kernteilchen mit Masse.
• Die Tiefendosiskurve beschreibt, wie viel Dosis in welcher Tiefe ankommt.
• Aufbaueffekt und Bragg-Peak sind die beiden charakteristischen Kurvenformen.
• Der Spread-Out Bragg Peak entsteht durch Überlagerung mehrerer Energien.
• Welches Verfahren zum Einsatz kommt, legt das Behandlungsteam fest.

Warum daraus keine allgemeine Rangfolge folgt

Aus der Form einer Tiefendosiskurve allein lässt sich nicht ableiten, welches Verfahren in einer bestimmten Situation vorgesehen wird. In die Entscheidung fließen unter anderem die Lage und Ausdehnung des Zielvolumens, die Vorbehandlung, die Verfügbarkeit von Anlagen, organisatorische Fragen und die Datenlage für die jeweilige Erkrankung ein. Diese Abwägung findet im Behandlungsteam und häufig im Tumorboard statt.

Wenn du wissen möchtest, welche Überlegungen in deinem Fall eine Rolle gespielt haben, ist das eine Frage für das Aufklärungsgespräch. Wie du dich darauf vorbereitest, beschreibt Gut vorbereitet ins Arztgespräch. Für eine Zweitmeinung gelten die üblichen Wege, die dir das Behandlungsteam nennen kann.

Was ist der Bragg-Peak?

So heißt das ausgeprägte Dosismaximum, das geladene Teilchen wie Protonen in einer bestimmten Gewebetiefe erzeugen. Dahinter fällt die Dosis sehr schnell ab, weil die Teilchen dort abgebremst sind.

Was ist mit dem Aufbaueffekt bei Photonen gemeint?

Der Begriff beschreibt, dass die Dosis bei hochenergetischen Photonen unmittelbar unter der Oberfläche zunächst ansteigt und erst in einigen Millimetern bis Zentimetern Tiefe ihr Maximum erreicht.

Ist Protonentherapie besser als Photonenbestrahlung?

Diese Frage lässt sich allgemein nicht beantworten und wird hier bewusst nicht bewertet. Die Verfahren unterscheiden sich physikalisch; welches in einer konkreten Situation vorgesehen wird, legt das Behandlungsteam nach Abwägung vieler Faktoren fest.

Was heißt Spread-Out Bragg Peak?

Die Überlagerung mehrerer Protonenstrahlen unterschiedlicher Energie, sodass statt eines schmalen Maximums ein über eine gewisse Tiefe verbreitertes Dosisplateau entsteht.

Wird bei Protonen dieselbe Dosiseinheit verwendet?

Die absorbierte Dosis wird ebenfalls in Gray angegeben. In der Protonenplanung wird zusätzlich ein Faktor für die relative biologische Wirksamkeit berücksichtigt; Angaben werden dann entsprechend gekennzeichnet.

Der Unterschied zwischen Photonen und Protonen ist damit zunächst ein physikalischer, kein wertender. Was er für eine bestimmte Behandlung bedeutet, gehört ins Gespräch mit dem Strahlentherapie-Team.