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Schubert, Mario (2007): Radioaktive Implantate für medizinische Anwendungen. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Der Erfolg chirurgischer Eingriffe wird nicht selten durch überschießende Wundheilung zunichte gemacht, so daß ein erneuter Eingriff notwendig wird. Am Wundort lokal eingesetzte Radionuklide mit kurzreichweitiger Strahlung können solche gutartigen Wucherungen verhindern. Das Radionuklid P-32 eignet sich als reiner Elektronenemitter mit einer Halbwertszeit von 14,3 Tagen und einer mittleren Energie von 694,9 keV (Emax=1710,48 keV) für diese Aufgabe und kann durch den Einfang thermischer Neutronen (1 · 10^14 /s/cm^2) im Kernreaktor aus dem stabilen P-31 hergestellt werden. Nach einer typischen Bestrahlungszeit (14 Tage) beträgt der P-32–Anteil 1,4 · 10^-5. Implantate aus Polymer bzw. bioresorbierbarem Material als Träger des radioaktiven Strahlers ermöglichen gegenüber metallischen Implantaten neue Anwendungen für diese Art der Strahlentherapie. In dieser Arbeit wurde eine Herstellungsmethode für bisher nicht verfügbare organische radioaktive Implantate entwickelt und ein dazugehöriges Dosimetriesystem aufgebaut. Mittels Ionenimplantation können P-32–Ionen mit bis zu 180 keV einige 100 nm tief in organische Implantatmaterialien eingeschossen werden. Für eine typische Dosis (15 Gy in 7 Tagen in 1 mm Abstand zum Implantat) wird eine Aktivität von 75 kBq benötigt, dies entspricht 1,3 · 10^11 P-32–Ionen. Die dafür optimierte Zerstäubungsionenquelle ermöglicht einen Ionenstrahl mit hohem Strahlstrom (>14 µA P–) und geringer Emittanz (<4 pi mm mrad MeV^1/2). Wegen der guten Strahlqualität können auch kleine Implantate (<1 mm^2) mit hoher Effizienz hergestellt werden. Durch eine Verbesserung der Isotopenselektion bei der Erzeugung des P-32–Strahls konnte der ungewollt mitimplantierte Anteil von Molekülen und Nukliden gleicher Masse (z. B. P-31H, O-16_2 und S-32) von etwa 500 auf 50 reduziert werden und somit im Vergleich zu den besten bisherigen Implantationsmethoden die Strahlenbelastung des Implantates um eine Größenordnung verringert werden. Bei der Betadosimetrie von 1–2 MeV Elektronen liegt die Herausforderung in der kurzen Reichweite (wenige Millimeter) im Gewebe und dem daraus folgenden starken Dosisabfall innerhalb dieses Bereichs. Dafür wurde eine Monte–Carlo–Simulation, basierend auf der Bibliothek Geant4, entwickelt. In diesem Dosisplanungssystem wurde, neben der Möglichkeit schematischer Geometrien, neu die Möglichkeit geschaffen, Rechnungen auf Basis von CT–Daten eines Patienten durchzuführen. Zur Überprüfung der Simulation wurde ein System für dreidimensionale dosimetrische Messungen mittels eines Plastikszintillators im Wasserphantom aufgebaut und die Simulationen innerhalb 10 % Abweichung reproduziert. Für die Überprüfung der Aktivität jedes hergestellten Implantates im Rahmen der Qualitätssicherung wurde ein Elektronenzählersystem aufgebaut. Die Kalibration erfolgte neben der herkömmlichen Methode durch Flüssigszintillationszählung zusätzlich mit Monte–Carlo–Simulationen. Diese ermöglichen die Kalibration auch für Implantatmaterialien, die sich nur schwer in Lösung bringen lassen wie die hier verwendeten Materialien Silikon oder Nickel–Titan–Legierungen. Die gemessenen, herstellungsbedingten Veränderungen der Materialeigenschaften von Silikon und dem bioresorbierbaren Polymer PLGA waren tolerierbar und bestätigten die Eignung als Implantatmaterial, insbesondere für die dauerhafte Fixierung des Radionuklids. An zwei klinischen Problemstellungen wurden die Implantate im Rahmen einer präklinischen Studie erprobt. Im Bereich der Hals–Nasen–Ohren–Medizin gibt es immer wieder Probleme mit verschlossenen Nasennebenhöhlen, die Infektionen zur Folge haben. Durch den Einsatz eines radioaktiven Silikonstents mit einer Liegezeit von 7 Tagen wurde gezeigt, daß eine künstlich geschaffene Öffnung langfristig offengehalten werden kann. Im Bereich der Augenheilkunde ist das Glaukom eine weit verbreitete Krankheit, die zur Erblindung führen kann. Diese durch einen übermäßigen Augeninnendruck erzeugte Krankheit kann mit Hilfe eines chirurgischen Eingriffs therapiert werden. Erstmals wurde ein bioresorbierbares radioaktives Implantat verwendet, welches geeignet ist, die künstlich geschaffene Abflußmöglichkeit offenzuhalten und so den Augeninnendruck langfristig zu senken. In einer klinischen Studie am Menschen wurde, im Gegensatz zu den anderen oben beschriebenen Anwendungen, nicht die wundheilungsdämpfende Wirkung geringer Dosen, sondern die sterilisierende Wirkung hoher Dosen eingesetzt. In Metastasen im Bereich der Lendenwirbel wurden mikrochirurgisch P-32–haltige Spiralen aus einer Nickel–Titan–Legierung eingebracht und bestrahlten diese mit ca. 100 Gy. Die bis zur Fertigstellung dieser Arbeit behandelten drei Patienten sind wohlauf und haben eine gute Verträglichkeit gegenüber den Implantaten gezeigt. Durch die im Verlauf dieser Arbeit geschaffenen Werkzeuge und Methoden können viele neue Anwendungsfelder für die Strahlentherapie benigner, aber auch maligner Erkrankungen erschlossen werden.