Tryggere kreftbehandling med ny protonskanner

Lesetid: 5 minutter

Partikkelterapi er en presis strålebehandling mot ondartede kreftceller, og brukes i dag verden rundt. Nå må morgendagens diagnostiske verktøy utvikles for å holde tritt med teknologien.

Partikkel: Naturens minste byggestein
Foton: Partikkel som beveger seg med lyshastigheten, og gir opphav til all form for elektromagnetisk stråling. Fotoner har ingen masse og ingen elektrisk ladning
Proton: Partikkel som finnes i atomkjerner. Er “nokså” tungt og positivt ladet
CT: Computed Tomography, en røntgenskanner som gir tredimensjonale bilder

Kreftceller er celler som vokser og deler seg i ukontrollert tempo. Strålebehandling skader DNA-molekyler i kreftcellene slik at de ikke kan formere seg videre. Nesten halvparten av alle kreftpasienter mottar strålebehandling, enten alene eller i kombinasjon med andre behandlingsformer som cellegift eller operasjon.

Under strålebehandling retter vi en partikkelstråle mot den delen av pasienten hvor kreften befinner seg, og former strålefeltet til kreftens silhuett ved hjelp av bevegelige kiler. Da vil vi bestråle både kreftceller og friskt vev. Bestråling av friskt vev vil øke risiko for bivirkninger i etterkant av behandlingen. Forskjellige partikler blir brukt i strålebehandling, og i dag er høyenergetisk røntgenstråling det vanligste (også kalt fotonterapi).

Neste generasjons strålebehandling bruker tyngre partikler i stedet for røntgenstråling. Da øker vi treffsikkerheten, og kan skåne friskt vev. Med økt treffsikkerhet kommer også høyere krav til nøyaktig planlegging. I oppgaven min har jeg jobbet med én av måtene å danne en nøyaktig behandlingsplan på; nemlig en helt ny type CT-skanner.

I oppgaven min har jeg laget en digital modell av den nye CT-skanneren og simulert hvor raskt den kan ta bilder. Jeg har reist til Tyskland, Nederland og Sverige og utført målinger med detektoren vi bruker i skanneren. Resultatet fra simuleringene og målingene er positive, og vi nærmer oss en klinisk anvendbar prototype med stormskritt.

Partikkelterapi

Foton- versus protonbehandlnig.

Stråling med fotoner (venstre) og protoner (høyre) for en pasient med kreft i nesesvelget. Bildet viser et tverrsnitt av hodet til pasienten i gråtoner, og fargeskalaen er beregnet strålingsdose. Ved protonterapi mottar friskt vev mindre stråling. Kilde: Wikimedia Commons / Proton Therapy.

I partikkelterapi bruker vi ladde atomkjerner i stedet for røntgenstråling. Da kan vi levere strålingsdosen med svært høy presisjon, og dosen til omliggende friskt vev blir betydelig redusert. Barn og unge med spesielle kreftformer har stor nytte for slik behandling, og i dag sender vi flere til utlandet for å få partikkelterapi.

Partiklene vi bruker er ladde partikler som protoner eller karbonkjerner: De oppfører seg helt annerledes enn fotoner i kroppen. Fotoner leverer strålingsdose hele veien gjennom kroppen, mens ladde partikler leverer mesteparten i selve svulsten før de stopper helt opp. Sensitive organer i nærheten påvirkes derfor lite. Tyngre partikler betyr også at DNA lettere ødelegges.

I dag finnes 52 behandlingssentre på verdensbasis med protoner eller tyngre atomkjerner, og flere er på vei. Regjeringen har gått inn for at vi skal bygge tre eller fire slike anlegg i Norge, blant annet i Bergen, Oslo og Trondheim.  Dette vil bedre kreftbehandlingen for et stort antall pasienter.

Når vi skal bestråle en kreftsvulst og hindre at den formerer seg videre, er det viktig at vi ikke skader friske organer med strålingen. Det er nødvendig å vite hva vi treffer og om andre organer «ligger i veien» for svulsten. Når vi lager en plan for hvordan vi skal levere strålingen trenger vi et bilde av hvordan pasienten ser ut inni.

Gantry fra Heidelberg Ion Therapy Center.

Svingarmen som fokuserer karbonstråling ved Heidelberg Ion Therapy Center. Store magneter som veier mange tonn er nødvendig for å fokusere strålene med høy presisjon. Med tillatelse fra Universitätsklinikum Heidelberg.

Planlegging av strålebehandlingen

I forkant av strålebehandling (enten med fotoner eller protoner) trenger vi detaljert informasjon om området vi skal behandle. I dag bruker vi en CT-skanner, som gir et tredimensjonalt røntgenbilde. CT-skanneren sier hvordan røntgenstråler passerer gjennom pasienten, så de verdiene må vi oversette til hvordan protoner oppfører seg. Oversettelsen gir en usikkerhet på opptil 1 cm på hvor strålingsdosen leveres, og den må vi ta hensyn til når vi planlegger behandlingen.

Leger og fysikere samarbeider så om å lage en detaljert behandlingsplan hvor det bestemmes hvor og hvordan vi skal bestråle pasienten. Vi bruker alltid et utvidet behandlingsområde, slik at vi er sikker på at målvolumet får nødvendig strålingsdose. Vi bestemmer også hvilke organer som ikke bør bestråles. Usikkerhetene fører til at friske organer mottar unødvendig strålingsdose, og vi får ikke utnyttet teknologien slik vi ønsker.

Proton-CT gir mer pålitelig informasjon

Usikkerheten i behandlingsplanen kommer når vi bruker vanlig røntgenbasert CT som grunnlag for beregningene. Ved å avbilde pasienten med protoner i stedet for røntgenstråler, kan vi redusere usikkerheten som oppstår i behandlingsplanen. Da kan vi forbedre treffsikkerheten helt ned til 1 millimeter. Problemet er bare at en slik skanner ikke eksisterer ennå!

Tanken om å bruke protoner til medisinsk avbildning er ikke ny, og ble foreslått allerede på sekstitallet. Studier gjennomført på åttitallet viste at en proton-CT skanner kunne gi lavere strålingsdose sammenlignet med datidens CT-skannere, og bildet ble nesten like bra. I tillegg var små forskjeller i vev synlige, også dem som ikke dukket opp på røntgen-CT. Ulempen var at det tok hele 20 timer, noe som hindret skanneren i å bli brukt på pasienter.

Proton CT-oppsett

Oppsett av en proton CT. Sensorer registrerer posisjonen til hvert proton både før og etter pasienten, og energien blir så målt i en detektor. Prosessen gjentas ved forskjellige vinkler. Med tillatelse fra magasinet Symmetry (Fermilab/SLAC).

Vi må sende mer enn én milliard protoner gjennom pasienten, én etter én, og så måle energien til hvert enkelt proton som passerer pasienten. Dette må gjentas flere ganger ved ulike vinkler for å få et tredimensjonalt bilde. Kliniske skann på titalls sekunder krever derfor svært raske detektorer. En røntgenbasert CT-skanner måler til sammenlikning et stort antall røntgenfotoner samtidig, og kan derfor utføre skann på under ett sekund.

De siste 10 årene har store fremskritt blitt gjort ved Loma Linda-universitetet i California, og forskningsgruppen laget i 2010 en prototype av en klinisk proton-CT skanner til bruk på hode og nakke. I dag jobber flere sentre med egne prototyper i USA, Sveits og Italia.

Hva har jeg gjort i min masteroppgave

I en proton-CT må vi måle energien til hvert enkelt proton. Jeg har sett nærmere på hvordan jeg kan bruke en digital energimåler til det. Den fungerer som et digitalt kamera med 40 megapiksler, som tar rundt to tusen bilder i sekundet. Jeg kan regne ut proton-energien ved å studere hvordan protonene beveger seg gjennom kameraet.

Digital-kalorimeteret FoCal

Forenklet modell av det digitale kalorimeteret FoCal, som består av 24 lag med silisium-detektorer og wolfram-absorbatorer. Egen figur.

I oppgaven min simulerte jeg en protonstråle på detektoren. Slike simuleringer gjorde jeg ved å bygge en digital modell av detektoren, og bruke fysikkens lover for å se hvordan individuelle protoner med høy energi oppfører seg når de treffer den. Jeg må sammenlikne resultatene med liknende resultater fra en «ekte» detektor før de kan være gyldige.

Jeg bruker raskere sensorer

Hastigheten til en proton-CT skanner bestemmes i hovedsak av detektoren som måler protonenes energi. Desto flere protoner detektoren kan registrere per sekund, desto raskere blir skanneren. Detektoren er en prototype laget av fysikere ved universitetet i Utrecht, Nederland, og deler av elektronikken er laget av ingeniører fra Universitetet i Bergen. Den ble opprinnelig laget til bruk i partikkelfysikk-laboratoriet CERN for å måle fotoner med svært høy energi.

Detektoren er nokså liten, 4 cm x 4 cm x 10 cm, men består av nesten 40 millioner piksler, hvor hver piksel er 30 mikrometer (0,03 mm) stor. Sensorene likner dem vi finner i digitalkameraer, og kan derfor produseres billig, og er i tillegg svært raske. Selv om selve detektoren er liten, trenger vi mye elektronikk, flere kilometer med kabler og mange datamaskiner for å lese ut signalet.

Målingsoppsett ved DESY.

Målingsoppsettet ved Deutsches Elektronen-Synchrotron i Hamburg. Utlesningselektronikk samt noen av sensorene kan sees i bildet. I dette tilfellet var det en partikkelstråle med positroner (anti-elektroner). Eget bilde.

Simuleringene viste at detektoren kan håndtere over en million protoner i sekundet, og målingene jeg utførte i Utrecht, Uppsala og Hamburg viser at detektoren gir gode data fra en ekte partikkelstråle. Detektoren er ikke rask nok til klinisk bruk riktig ennå, men sensorer som er mye raskere har nylig blitt laget, så det gjenstår å se hvor rask detektoren blir når disse tas i bruk.

Vi er nærmere en klinisk proton-CT nå enn noen gang, men det vil nok fortsatt ta noen år før maskinen blir et vanlig syn på sykehus verden rundt.