Giga-installaties voor millimeterwerk

De protonen die worden gebruikt bij bestraling van tumoren worden gewonnen uit waterstof gas en vervolgens versneld. Dat gebeurt allemaal in een cyclotron.

Om de smalle protonenbundel te maken die een tumor met millimeterprecisie bestookt, is een enorme installatie nodig. Die maakt de protonen, geeft ze voldoende snelheid (energie) en voert ze naar het bestralingsapparaat.

De protonen worden gewonnen en versneld in een zogeheten cyclotron. Waterstofgas (H2, een verbinding van twee protonen en twee elektronen) is het uitgangsmateriaal. In de kern van het apparaat bevindt zich een ruimte waar de waterstofmoleculen in een hoogfrequent elektrisch veld kapot worden getrild. Er ontstaat een plasma, een toestand waarin de protonen en elektronen los van elkaar voorkomen. De protonen worden vervolgens versneld. Daarbij beschrijven ze een spiraalvormige baan, waarvan iedere winding een grotere straal heeft dan de vorige. Sterke elektrische velden zorgen ervoor dat ze steeds sneller gaan. Als ze met ongeveer tweederde van de lichtsnelheid voortrazen worden ze in een vacuümbuis geleid die ze naar het bestralingsapparaat voert. Magneten zorgen ervoor dat ze de juiste route afleggen zonder tegen de wanden van de buis te botsen. Ook zorgen ze ervoor dat de bundel gefocusseerd blijft. Op weg naar het bestralingsapparaat worden de protonen indien nodig afgeremd, afhankelijk van de beoogde behandeling.

Op het moment dat hij de tumor binnendringt, is de protonenbundel tien tot 15 millimeter breed. Om toch de hele tumor te bestralen is een techniek ontwikkeld waarbij snelle magneten de bundel zo richten dat het gezwel in korte tijd punt voor punt wordt afgetast. Hij wordt als het ware aangeprikt. Bij deze manier van bestralen is het mogelijk om de energie van de bundel zo te regelen dat ook grillig gevormde tumoren goed kunnen worden getroffen. Deze methode is vrij nieuw – tot nu toe wordt meestal met bundels gewerkt die de hele tumor ineens treffen – maar de Nederlandse centra gaan er nu mee werken.

Omdat de energie van de protonenbundel uiteindelijk bepaalt hoe diep hij het lichaam ingaat, moet een behandelaar heel precies weten waar de tumor zit en wat zijn vorm is. Dat wordt bepaald met een CT-scan. Aan de hand daarvan wordt bepaald welk gebied bestraald moet worden en ook vanuit welke hoeken de bundel daar het best op gericht kan worden. Daarbij wordt rekening gehouden met onzekerheden. Patiënten bewegen soms een beetje, of vallen in de loop van de behandeling af. Ook kan de tumor meedeinen op de ademhaling. En als het goed is, zal hij slinken. Protonentherapie is veel kritischer dan radiotherapie. Een kleine verschuiving kan tot nuldosis leiden. Het is dan ook de bedoeling dat er bij de behandelruimtes een CT-scanner komt, zodat vlak voor de behandeling de tumor opnieuw kan worden bekeken.

Onderzoekers van de TU Delft en het Groningse Kernfysisch Versneller Instituut werken zelfs aan technieken waarmee nog tijdens de behandeling kan worden gecontroleerd of dit het geval is. Op hun weg door het lichaam kunnen de protonen allerlei interacties aangaan met de koolstof-, stikstof- of zuurstofatomen in het weefsel. Bij sommige daarvan komt gammastraling vrij en je kunt meten waar die vandaan komt.

Een andere verfijning waar fysici aan werken is het nog preciezer bepalen van het verband tussen de energie van de bundel en de plaats waar de bundel zijn meeste energie afgeeft. Voor homogene materialen, zoals water, is die relatie exact bekend. Maar het lichaam van een patiënt is allesbehalve homogeen. Vaak zal de bundel verschillende weefseltypen moeten passeren die de protonen in meer of mindere mate zullen afremmen.