Neuartige Krebsbehandlung reduziert Schäden an gesundem Gewebe auf ein Minimum

Luigi Tremolada, SIDeA

"Die Flexibilität der PXI-Architektur trug in Verbindung mit den Eigenschaften von LabVIEW und der fantastischen Leistung der NI-RIO-Lösungen dazu bei, eine fortschrittliche Anlage zur Behandlung tief liegender Krebszellen auf Basis der Hadronentherapie zu steuern. LabVIEW eröffnet den Entwicklern dieser neuen Anwendungen interessante Perspektiven."

- Luigi Tremolada, SIDeA

Die Aufgabe:

Minimierung der Schäden an gesundem Gewebe bei Patienten und Maximierung der Zerstörung krebsartiger Tumorzellen

Die Lösung:

Einsatz von NI-Technologie zur Verbesserung einer einzigartigen, genaueren Form der Krebsbehandlung – Hadronen- oder Protonentherapie –, bei der beschleunigte Teilchenstrahlen wie Protonen oder Kohlenstoffionen tief liegende Krebszellen gezielt angreifen können

Eingesetzte Produkte: grafische Programmierumgebung NI LabVIEWNI LabVIEW FPGA ModuleNI LabVIEW Real-Time ModuleNI PXINI-CompactRIO

 

Die Abbildungen der Kundenlösung finden Sie in der Galerie und im Fließtext. In der Galerie können Sie die Bilder in größerer Auflösung ansehen.


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.

 

 

Die Hadronentherapie wird bereits seit den frühen 1950ern in vielen Zentren praktiziert. Neueste technologische Fortschritte haben Forschungen am Verfahren der Therapie am Centro Nazionale die Adroterapia Oncologica (CNAO) in Pavia, Italien, beschleunigt. 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.

 

Das technologische Verfahren

Für diese komplexe Behandlung müssen fast 300 Geräte vernetzt werden, 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.

 

Die National Instruments Alliance Partner sind unabhängige Unternehmen und stehen in keinem Agentur-, Kooperations- oder Joint-Venture-Verhältnis zu NI.

 

Informationen zum Autor:

Luigi Tremolada
SIDeA
eng@sidea.it

Figure 1. Overview of the Synchrotron
Figure 2. Particle Physicist Marco Pullia Discussing how the Synchrotron Works
Figure 3. The PXI System that Helps Control the Synchrotron
Figure 4. PXI Systems in the Power Supply Room
Figure 5. LabVIEW in Use in The Control Room
Figure 6. The Patient Treatment Room
Figure 7. A Doctor Working in the Patient Treatment Room