Das Potential der innovativen Protonen-Minibeam-Bestrahlungstherapie (pMBRT) konnte in der Vergangenheit durch präklinische Experimente verifiziert werden. Dabei wurde gezeigt, dass Nebenwirkungen in Mausohren bei einer Bestrahlung mit Strahlfleckgrößen unter 0,1 mm komplett vermieden werden können. Solche Strahlfleckgrößen wurden bei gleichzeitig ausreichend hoher Strahlintensität bisher nur am Maier-Leibnitz-Laboratorium (MLL) in Garching präpariert. Die maximale Protonenenergie welche durch den dort genutzten Tandem-Van-de-Graaff-Beschleuniger erreicht werden kann, limitiert die Eindringtiefe der Protonen allerdings auf wenige Millimeter.

Um das volle Potential der pMBRT auch für tiefer liegendes Gewebe (z.B. Muskel, Lunge, oder auch Tumoren) zu demonstrieren, wird am Lehrstuhl LRT2 ein Konzept für eine vorklinische Bestrahlungsanlage entwickelt, mit der eine Eindringtiefe der Protonen von ca. 40 mm in Gewebe erreicht werden soll.

Bestrahlungsanlagen bestehen aus einer Vielzahl komplexer Komponenten, welche mit dem Teilchenstrahl interagieren. Die Konzeptionierung geht daher Hand in Hand mit Simulationen, durch die das Zusammenspiel aller Komponenten beurteilt und optimiert wird.

Hierbei liegt der Fokus an unserem Lehrstuhl vor allem auf der Simulation und Entwicklung des Strahltransportsystems und den für die präklinische Applikation benötigten Komponenten.  

Das Strahltransportsystem besteht aus ionenoptischen Elementen wie Quadrupol und Dipol- Magneten. Es hat die Aufgabe den Protonenstrahl auf das Ziel zu lenken und dort einen Strahlfleck von unter 0,1 mm zu formen. Die Anordnung der ionenoptischen Elemente wird durch Strahldynamik-Simulationen optimiert, wozu Programme wie TRACE 3-D verwendet werden. Die resultierenden Partikelverteilungen werden anschließend mithilfe von Partikel-Tracking-Programmen wie TRAVEL, COMSOL oder CST Studio Suite berechnet.

Zur präklinischen Applikation werden eine Scanning-Einheit zum Verfahren des Protonstrahls über das Ziel, ein Austrittsfenster zur Extraktion des Protonenstrahls aus dem Strahlrohr und eine Dosimetrie-Einheit zur Bestimmung der applizierten Dosis entwickelt. Da Dosimetrie-Einheit und Austrittsfenster direkt vom Protonenstrahl durchleuchtet werden, haben diese großen Einfluss auf die Strahlqualität. Die Interaktion der Protonen mit relevanten Elementen der für die Applikation benötigten Komponenten wird daher vorab mit GEANT4 bzw. TOPAS simuliert und bewertet, um die resultierende Strahlfleckgröße zu bestimmen.