Neuartige Krebsbehandlung reduziert Schäden an gesundem Gewebe auf ein Minimum

Etwa 90 Prozent der erfolgreichen Tumorbehandlungen beruhen auf der Effizienz von Operationen und Strahlentherapie. Die bekannteren Formen nichtinvasiver Krebsbehandlung, Chemotherapie und Bestrahlung, können den menschlichen Körper stark beeinträchtigen, da sie gesunde und Tumorzellen gleichermaßen schädigen. Der Einsatz beschleunigter Teilchenstrahlen ist ein Schritt hin zur Entwicklung gezielterer und effektiverer Krebsbehandlungen, die das gesunde Gewebe vor Schäden schützen. Dies ist besonders wichtig, wenn sich Krebs in der Nähe lebenswichtiger Organe entwickelt.

Obwohl die Hadronentherapie seit den frühen 1950er Jahren in vielen Zentren praktiziert wird, haben jüngste Fortschritte in der Technologie die Forschung zu dieser Technik am Italienischen Nationalen Zentrum für Onkologische Hadronentherapie (CNAO), einer klinischen Einrichtung in Pavia, Italien, die von gegründet und finanziert wurde, beschleunigt. Das CNAO ist ein vom italienischen Gesundheitsministerium gegründetes und finanziertes Zentrum, das Patienten in ganz Italien die Hadronentherapie näherbringen soll. Je nach spezieller Tumorformation müssen Onkologen die technischen Parameter von Teilchenstrahlen regelmäßig anpassen, um die Effizienz des Verfahrens zu optimieren. Dazu ist ein präzises Steuerungssystem erforderlich. Indem die energiegeladenen ionisierenden Teilchen genau auf den gewünschten Tumor gerichtet werden, wird weniger Energie im gesunden Gewebe abgelagert, welches das Zielgewebe umgibt.

Die Technologie

Bei der Auswahl der Technologie für das Kontrollsystem zog es das CNAO-Management vor, in ein komplettes Kontrollsystem eines europäischen Unternehmens zu investieren, was zur Partnerschaft mit SIDeA führte. SIDeA ist ein technologiebasiertes Unternehmen, das auf den Kundensupport ausgerichtet ist und für seine Kenntnisse in der Entwicklung von Steuer- und Datenerfassungssystemen für Physikexperimente bekannt ist.

Die Anwendung der Hadronentherapie ist komplex und erfordert das Vernetzen von fast 300 Geräten, um den Betrieb der Maschine sowie den Zugang zum Raum selbst zu steuern. Um sicheren Zugang zu den Behandlungsräumen während der Abgabe radioaktiver Strahlung zu gewährleisten, wurde mit dem NI LabVIEW FPGA Module und der NI-PXI-Hardware ein Sicherheitsschließsystem entwickelt. Das System, das den eigentlichen Teilchenstrahl erzeugt und steuert, benötigt Windows-Benutzeroberflächen, die mit echtzeitfähigen und FPGA-basierten Geräten für die Steuerung verbunden sind. Die Systemdesignsoftware NI LabVIEW vereinfachte diese Aufgabe, indem sie diese zahlreichen heterogenen Verarbeitungseinheiten in eine einzige Entwicklungsumgebung integriert und den Umgang damit vereinfacht.

Timing und Synchronisierung sind wesentliche Anforderungen für die sichere Erstellung und Steuerung der Strahlen. Um die anspruchsvolle Anforderung einer Auflösung von 100 µs zu erfüllen, wurde ein spezifisches Ethernet-basiertes Nachrichtenprotokoll mit dem LabVIEW Real-Time Module und PXI entwickelt. Die strikteren Anforderungen einer Auflösung von 50 ns wurden mit einem Glasfasernetzwerk mit dedizierten PXI-Modulen erfüllt.

Für das Ausrichten des Strahls auf den Tumor sind Systeme erforderlich, die den Strahl vorbereiten sowie die Strahlintensität und -position messen und steuern, während sie ihn gleichmäßig über den Tumor verteilen. Diese Systeme, die mit LabVIEW, echtzeitfähiger NI-PXI- und FPGA-basierter NI-CompactRIO-Hardware entwickelt wurden, messen je nach Bedarf alle 100 µs die Strahlintensität und -position mit einer Genauigkeit von 100 bis 200 Mikrometer. Das System zur Strahlsteuerung bietet die von den Wissenschaftlern benötigten genauen Messungen, Echtzeitsteuerung und Datendarstellung.

Die Entwicklung einer offenen Architektur mit NI-Hard- und -Software bedeutete, dass Herausforderungen, die eventuell bei einem Projekt auf Basis handelsüblicher Standardhardware entstehen könnten, entsprechend bewältigt wurden. Die Flexibilität der PXI-Architektur trug in Verbindung mit den Fähigkeiten von LabVIEW und der zuverlässigen Leistung von NI-Hardware, die die LabVIEW-RIO-Architektur nutzt, dazu bei, den Anfragen des Kunden umgehend mit einer flexiblen, innovativen Lösung begegnen zu können.

Im Anschluss an Dosimetrie- und Strahlenbiologietests mit Protonenstrahlen wurde CNAO die Erlaubnis zur Behandlung von Patienten erteilt. Die AITRO (Associazione Italiana Tecnici Radioterapia Oncologica e Fisica Sanitaria) schätzt, dass über drei Prozent der italienischen Strahlentherapiepatienten (mehr als 3000 neue Patienten pro Jahr) mit Hadronentherapie behandelt werden. Diese Zahl werde zudem kontinuierlich steigen.

Informationen zum Autor:

Herr Luigi Tremolada
SIDeA
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