Etablierung einer Messmethode zur intratherapeutischen Dosimetrie benigner und maligner Schilddrüsenerkrankungen

Danksagung

Folgenden Personen gilt mein besonderer Dank, da sie mich bei der Erarbeitung meiner Ba- chelorarbeit in unterschiedlicher Art und Weise unterstützt haben:

Ich bedanke mich zunächst für die Unterstützung und Betreuung meiner Bachelorarbeit sei- tens der Fachhochschule Jena bei Herrn Prof. Dr. Bellemann.

Besonderer Dank gilt Herrn Scholz, der mich durch seine engagierte Betreuung und stete Diskussionsbereitschaft bei der Erstellung der Bachelorarbeit und während des Praktikums unterstützt hat.

Bedanken möchte ich mich auch bei Herrn Schrott, dem Feinmechaniker der Strahlenthera- pie, der mir die Realisierung der Abschirmung und des Abstandhalters möglich machte.

Ein besonderer Dank gilt der Belegschaft der Nuklearmedizin, die für meine Fragen stets offen waren, sowie dem Stationspersonal für die Unterstützung bei der Messwertaufnahme.

Nicht zuletzt danke ich meiner Familie für ihre Unterstützung während meines gesamten Studiums und der Bachelorarbeit.

2

Inhaltsverzeichnis

  Danksagung............................................................................................................................2  

Inhaltsverzeichnis ..................................................................................................................3

  Kurzzeichenverzeichnis.........................................................................................................5  

1.  Einleitung 6  

1.1.  Die Schilddrüse und ihre Krankheitsbilder 7  

1.2.  Strahlenphysikalische Grundlagen des Jod-131 8  

2.  Zielstellung 11  

3.  Material und Methoden 13  

3.1.  Radiojodtherapie 13  

3.1.1.  Radiojodtherapie bei benignen Schilddrüsenerkrankungen 13  

3.1.2.  Radiojodtherapie von malignen Schilddrüsenerkrankungen 15  

3.2.  Intratherapeutische Dosimetrie 16  

3.2.1.  Geiger-Müller-Zählrohr 16  

3.2.2.  Grundlagen zur Entwicklung einer Abschirmung der Streustrahlung bei  

  benignen Schilddrüsenerkrankungen 17  

3.2.3.  Ablauf der intratherapeutischen Dosimetrie 18  

3.2.3.1.  Dosisbestimmung mit OLINDA EXM 20  

3.2.3.2.  Dosisbestimmung mit der MARINELLI-Formel 22  

4.  Ergebnisse 23  

4.1.  Sondenabschirmung 23  

4.1.1.  Aufbau 23  

4.1.2.  Messfeld der Sonde 24  

4.1.3.  Bestimmung des Kalibrierfaktors 25  

4.2.  Intratherapeutische Dosimetrie 26  

4.2.1.  Uptake-Bestimmung 26  

4.2.2.  Bestimmung der effektiven Halbwertszeit 28  

3

4.2.3.  Ergebnisse der Dosisbestimmung bei den benignen Schilddrüsenpatienten 29  

4.2.3.1.  Dosisbestimmung mit MARINELLI-Formel 29  

4.2.3.2.  Dosisbestimmung mit OLINDA EXM 30  

5.  Diskussion 32  

5.1.  Messmethode 32  

5.2.  Sondenabschirmung 33  

5.2.1.  Messfeld der Sonde 33  

5.2.2.  Kalibrierfaktor 34  

5.3.  Intratherapeutische Dosimetrie 34  

5.3.1.  Radiojoduptake 34  

5.3.2.  Effektive Halbwertszeit 36  

5.3.3.  Vergleich der erreichten Dosis während der Therapie mit der  vorgegebenen

  Dosis bei benignen Schilddrüsenpatienten 39  

5.3.4.  Marinelli-Formel und OLINDA EXM im Vergleich 44  

6.  Zusammenfassung 46  

7.  Ausblick 48  

Anhang ..................................................................................................................................49  NA  

  Literaturverzeichnis  49

Abbildungsverzeichnis ....................................................................................................52

  Messwerttabellen  54

4

Kurzzeichenverzeichnis

131

Radioaktives Jod-131-Natriumiodid NaI I

* 131

53 I

Instabiles Jod-131

Natürlich vorkommendes Jod I-127

131

Xe Stabiles Xenon-131

54

- -Strahlung Beta-minus-Strahlung

Gammastrahlung -Strahlung

Organ Level Internal Dose Assessment Code with Exponential Modeling OLINDA/EXM

Medical Internal Radiation Dose MIRD

Radiojoduptake zum Zeitpunkt t in % RIU t

Aktivität der radioaktiven Quelle in Bq A

Applizierte Aktivität in Bq A Appl

~ A Kumulierte Aktivität im Quellorgan h in Bq h

Gemessene Dosisleistung in Sv*h -1 DL

Grenzwert der Dosisleistung zur Entlassung von der Therapiestation in Sv*h -1 DL GW

DL GW = 3,5 Sv*h -1

_ Mittlere absorbierte Dosis im Zielorgan k in Gy D m ) ( h k

Energie

E

x

Masse des Zielorgans m

Relative Häufigkeit der Emission pro Umwandlung n i

S m

Mittlere im Zielorgan k absorbierte Energie pro Zerfall im Quellorgan h ) ( h k

Zeitpunkt nach Applikation in h t

t E Zeitpunkt der Entlassung in d

T 2

Effektive Halbwertszeit in d / 1 eff

x

Schichtdicke des Absorbers in cm Massenschwächungskoeffizient Blei = 3,348 cm -1

Absorbierte Anteil der Strahlenenergie in einem Ziel von der Quelle

Energieflussdichte in Abhängigkeit von der Schichtdicke

Energieflussdichte vor dem Absorber

5

1. Einleitung

Die Schilddrüse nimmt unter den Hormon produzierenden Drüsen eine besondere Stellung ein, da sie in fast alle Funktionen des Körpers regulierend eingreift. Voraussetzung für eine optimal funktionierende Schilddrüse ist eine ausreichende Zufuhr von Jod über die Nahrung. Auf Grund des alimentären Jodmangels in den letzten Generationen in Deutschland wurde dies jedoch nicht immer erreicht. Zum Ausgleich dieser Jodunterversorgung, erhöht sich das Schilddrüsevolumen zur Steigerung der Leistungsfähigkeit. Dies scheint zunächst eine biolo- gisch sinnvolle Anpassung an eine jodärmere Umgebung. Die Schilddrüse wird dadurch in die Lage versetzt, geringste Jodspuren noch effizienter zu resorbieren. Bei einem länger bestehenden Jodmangel entwickelt sich, durch weiteres ungeregeltes Wachstum und Funk- tionsveränderung, autonomes Gewebe. Dadurch werden unabhängig vom übergeordneten Regelsystem Schilddrüsenhormone an das Blut abgegeben. Durch eine erhöhte Hormon- ausschüttung (Hyperthyreose) treten bei den Patienten unter anderem Beschwerden wie nervöse Unruhe, Schlaflosigkeit, Hitzewallungen, erhöhte Herzfrequenz und Muskelschwä- che auf. [23][32] Zur Behandlung von benignen und malignen Schilddrüsenerkrankungen stehen mehrere Therapievarianten zur Auswahl. Die Radiojodtherapie stellt, seit der Einführung von Hertz und Roberts 1942, neben der Operation, eine weltweit etablierte Behandlungsmethode be- nigner und maligner Schilddrüsenerkrankungen dar. Jährlich werden rund 120.000 Patienten an der Schilddrüse operiert und weitere 60.000 durch eine Radiojodtherapie behandelt. [34] Auf Grund der strahlenphysikalischen Eigenschaften des Jod-131 ist die Radiojodtherapie eine wirkungsvolle Behandlungsmethode von Schilddrüsenerkrankungen. Die therapeutische Wirkung ist dabei direkt abhängig von der erreichten Herddosis. Diese wird beeinflusst von der eingesetzten absoluten Radiojodaktivität, von der maximalen Jodaufnahme in das zu bestrahlende Gewebe, sowie der effektiven Halbwertszeit des Jod-131 in der Schilddrüse bzw. in dem zu therapierenden Volumen wie beispielsweise den Schilddrüsenknoten. Es darf heute als gesichert gelten, dass die Risiken einer Radiojodtherapie deutlich unter denen einer Operation liegen. Die Strahlung, der der Körper (ausgenommen der zu behan- delnden Schilddrüse) ausgesetzt wird, liegt bei einer mittleren Radiojodmenge - im Bereich einer Röntgenuntersuchung von beispielsweise Magen und Darm. [35]

Um die Behandlung der Schilddrüse durch Radiojod besser verstehen zu können, ist ein Einblick in die Anatomie der Schilddrüse und deren Krankheitsbilder, sowie in die strahlen- physikalischen Grundlagen des Jod-131 erforderlich.

6

1.1. Die Schilddrüse und ihre Krankheitsbilder

Die Schilddrüse (Glandula thyroidea) ist eine kleine endo- krine Drüse, die schmetterlingsförmig rechts und links neben der Trachea und dicht unterhalb des Kehlkopfes liegt (Abb. 1-1). Die zwei Lappen der Schilddrüse sind durch den Schilddrüsenisthmus miteinander verbunden.

Zusammengesetzt ist das Schilddrüsengewebe aus einer Vielzahl von mikroskopisch kleinen bläschenartigen Ge- bilden, den Follikeln, in denen die Hormone in inaktiver Form, als so genannte Kolloide, gespeichert werden. In den Epithelzellen der Follikel werden die Schilddrüsen- hormone, Trijodthyronin T3 und Tetrajodthyronin T4, ge- Abb. 1-1 Anatomie der Schilddrüse bildet. [32]

Die Schilddrüsenhormone wirken auf die Steuerung des Kohlenhydrat-, Eiweiß-, Fett-, Ner- ven- und Knochenstoffwechsel sowie die Gonadenfunktion und die Blutbildung. Aus diesem Grund haben Fehlfunktionen der Schilddrüse vielfältige Störungen der Gesundheit zur Folge, die das Allgemeinbefinden und damit auch das Leistungsvermögen stark beeinträchtigen können. [25]

Eine Art der nicht-invasiven Behandlung von benignen und malignen Schilddrüsenerkran- kungen stellt die Radiojodtherapie dar.

Zu den benignen Erkrankungen gehört die Struma, die durch eine Vergrößerung der Schild- drüse durch Jodmangel gekennzeichnet ist. Behandelt werden folgende Krankheitsbilder:

x Manifeste Hyperthyreose bei Autonomie und Morbus Basedow x Latente Hyperthyreose bei Autonomie x Struma mit/ggf. ohne funktionelle Autonomie x Rezidivstruma mit und ohne funktionelle Autonomie

Durch die Behandlung mit Radiojod soll eine dauerhafte, stabile Euthyreose (normale Schilddrüsenfunktion) erreicht werden. Dies ist durch die Beseitigung der hyperthyreoten Stoffwechsellage, die Beseitigung der Autonomie und/oder die Volumenreduktion der Struma möglich. [5]

7

Neben den benignen Krankheitsbildern der Schilddrüse können auch maligne Erkrankungen

durch eine Radiojodtherapie behandelt werden, da differenzierte Schilddrüsenkarzinome

ebenfalls Radiojod speichern. Die Therapiewirkung ist umso besser, je geringer das Zielvo-

lumen ist. Folglich werden alle Thyreozytenkarzinome zunächst operiert. Anschließend wird,

mit Ausnahme des papillären Karzinoms im T1-Stadium (< 1 cm, unifokal), eine Radiojodthe-

rapie durchgeführt. Mit dem Ziel eine ausreichende Aufnahme des Radiojodes in das Rest-

schilddrüsengewebe zu erreichen, um eventuell noch vorhandene Schilddrüsenrestverbände

bzw. Gewebsreste strahlentherapeutisch zu eliminieren. [14][25]

1.2. Strahlenphysikalische Grundlagen des Jod-131

Die Behandlung der oben beschriebenen Schilddrüsenerkrankungen erfolgt, während der

Radiojodtherapie mit dem radioaktiven Jod-131-NaI. Bei diesem radioaktiven Zerfall werden

circa 95 % der frei werdenden Energie in Form von - -Strahlung und circa 5 % in Form von

-Strahlung des Tochternuklids Xe-131 freigesetzt. (Abb. 1-2). [33]

Nach Applikation wird das radioaktive Jod-131 aus dem Blut, wie natürliches inaktives Jod-

127, mit Hilfe eines aktiven Natrium-Jodid-Symporters in die Schilddrüse aufgenommen und

verstoffwechselt. Es reichert sich dabei besonders in den hyperaktiven Regionen der Schild-

drüse an, während inaktive bzw. ruhende Follikel sowie das umgebende Gewebe weitge-

hend verschont bleiben.

Die biologische Wirkung wird dabei allein durch die Betastrahlung (E = 608 keV) hervorge-

rufen und resultiert durch die aus der Ionisierung direkt erzeugten Radikale. Diese wirken auf

Zellen toxisch, in dem sie die Enzyme verändern, Membranen zerstören, die Zellteilung ver-

8

hindern oder die DNA der Zelle verändern. Durch den Reparaturmechanismus der Zellen wird jedoch ein Großteil der entstandenen Schäden korrigiert. Die emittierte - -Strahlung des Jod-131 besitzt eine maximale Reichweite von 2 mm und eine

mittleren Reichweite von 0,7 mm im Gewebe und liegt damit in der Größenordnung der Folli- keldurchmesser. Die dadurch entstehende lokal begrenzte und homogene Bestrahlung der Schilddrüse erzielt eine Intensivierung der Schadenshäufigkeit in kurzer Zeit. Dies überfor- dert den Reparaturmechanismus der Zellen und der gewünschte Effekt der Radiojodtherapie tritt ein. Dabei erfolgt der Dosisübertrag durch die Protrahierung, d.h. es wird durch eine ein- zige Aktivitätsgabe eine Anreicherung in der Schilddrüse erzielt, die dann auf Grund der ef- fektiven Halbwertzeit des Jod-131 ihre Wirkung bis zum vollständigen Verlassen des Organs entfaltet. [2][16][21]

Beim - -Zerfall wandelt sich der Kern des radioaktiven Nuklids (Mutterkern) meist nicht gleich

in den Grundzustand, sondern in einen energetisch angeregten Zustand des Tochterkerns um. D.h. der Kern besitzt gegenüber dem natürlichen energetischen Grundzustand über- schüssige Energie. Diese wird in Form von elektromagnetischer Strahlung (Gammastrah- lung) emittiert, um anschließend in den stabilen Grundzustand zu gelangen. [32] Die - Strahlung trägt nur mit 5 % zur Gesamtdosis bei und verlässt auf Grund ihrer langen Reich- weite zum Großteil den Körper. Dieser -Anteil führt zu einer nicht gewünschten Strahlenbe- lastung des gesunden Gewebes beim Patienten und beim Stationspersonal. Dieser Nachteil wird jedoch durch die Vorteile ausgeglichen, dass die Verteilung des Nuklids und der zeitli- che Aktivitätsverlauf innerhalb des Gewebes messbar sind. [33] Dies stellt eine Vorausset- zung für eine prä- und intratherapeutische Dosimetrie dar.

Ein weiterer, die Therapie beeinflussender, Parameter des Jod-131 ist die lange Halbwerts- zeit. In Verbindung mit der angesprochenen protrahierten Bestrahlungsweise wird eine län- gere Wirkung in der Schilddrüse erreicht.

Die Halbwertszeit gibt an, nach welcher Zeit die Anzahl der ursprünglich radioaktiven Atome auf die Hälfte reduziert ist. Die aus dem Zerfallsgesetz abgeleitete Definition verdeutlicht, dass die Halbwertszeit unabhängig von der Anfangsaktivität ist, d.h. es wird in gleichen Zei- ten der gleiche prozentuale Anteil der Aktivität abgebaut.

9

In der Praxis wird zwischen physikalischer, biologischer und effektiver Halbwertszeit unter-

schieden. Die physikalische Halbwertszeit ist die Zeit, in der die Hälfte der ursprünglich vor-

handenen radioaktiven Kerne zerfallen ist. Im Gegensatz dazu gibt die biologische Halb-

wertszeit die Zeit an, in der eine radioaktive Substanz aus einem Verteilungsraum (einem

Organ) durch Ausscheiden um die Hälfte verringert ist. Die effektive Halbwertszeit verbindet

beide Werte mathematisch und dient zur Abschätzung der Strahlenexposition für den Patien-

ten. Sie ist stets kleiner als die physikalische und die biologische Halbwertszeit. [13][32]

Verdeutlicht wird dieser Zusammenhang am Beispiel des Jod-131. Die physikalische Halb-

wertszeit beträgt 8,02 Tage. Bei Schilddrüsenerkrankten mit Überfunktion ergibt sich eine

biologische Halbwertszeit von circa 24 Tage. Daraus ergibt sich nach Formel (5) eine effekti-

ve Halbwertszeit von rund sechs Tagen. [32]

10

2. Zielstellung

Die Klinik für Nuklearmedizin des Universitätsklinikums Jena betreibt momentan eine Radio- jodtherapiestation mit sieben Betten. Der Neubau dieser Station bei gleichzeitiger Vergröße- rung auf zehn Betten mit einer Ausstattung, die dem höchsten technischen Niveau ent- spricht, soll zum Ende des Jahres 2009 abgeschlossen werden.

Für die prätherapeutische Bestrahlungsplanung von benignen Schilddrüsenerkrankungen werden den Medizinern und Medizinphysikern die individuellen Stoffwechselparameter des Patienten mittels eines dreitägigen Radiojodtestes zur Verfügung gestellt. Parameter sind neben dem zu therapierenden Schilddrüsenvolumen, die Speicherfähigkeit des Schilddrü- sengewebes (Uptake) der applizierten Jod-131-Aktivität und das Ausscheidungsverhalten durch Angabe der effektiven Halbwertszeit. Für die Bestimmung der zu applizierenden Aktivi- tät bei vorgewählter, protokollierter Herddosis wird die Marinelli-Formel verwendet.

Nach Applikation der berechneten Jod-131-Aktivität ist nach den geltenden Leitlinien der Radiojodtherapie [5][7] sowie der Strahlenschutzverordnung [17] und der Richtlinie Strahlen- schutz in der Medizin [15] eine intratherapeutische Dosimetrie durchzuführen. Mit dem Ziel eine allgemeine Qualitätssicherung und eine Optimierung der Therapie im Bezug auf die erreichte Dosis in der Schilddrüse zu erreichen. Dabei ist gefordert, dass mit der Messung der Dosisleistung die Aktivität im ganzen Körper kontrolliert wird (für die Entlassung des Pa- tienten von Station) und zusätzlich, durch die Abschirmung des Restkörpers, die Aktivität in der Schilddrüse bzw. den darin befindlichen zu therapierenden Knoten festgestellt wird. Aus dem zeitlichen Verlauf kann dann die akkumulierte Aktivität in der Schilddrüse berechnet werden, um möglichst frühzeitig eine Aussage über den Behandlungserfolg treffen zu kön- nen.

Die Akquisition dieser Messwerte gestaltet sich auf Grund der strahlenphysikalischen Eigen- schaften ionisierender Strahlung für das Stationspersonal schwierig. Standard der intrathe- rapeutischen Messungen war bisher ein Abstand von zwei Metern zwischen stehenden Pati- ent und stehender Schwester mit einem Dosisleistungsmessgerät in der Hand. Diese Mess- werte weisen auf Grund der individuellen Positionierung des wechselnden Stationspersonals gegenüber dem Patienten starke Schwankungen auf. Eine Aussage über den Behandlungs- erfolg war somit schwierig und fehlerbehaftet.

Aufgabe dieser Arbeit ist es, die bestehenden behördlichen Anforderungen um zu setzten. Dabei soll eine Messmethode entwickelt und realisiert werden, bei der die Ganzkörper- so-

11

wie die schilddrüsenspezifische Aktivitätsspeicherung messtechnisch erfasst werden. Positi- onierungsfehler des Patienten sowie inkonstante Messbedingungen auf Grund wechselnden Stationspersonals sind dabei auszuschließen. Weiterhin soll eine Dokumentationsmöglich- keit (Messwertdokumentation, automatische Berechnungen der intratherapeutischen Para- meter, graphische Darstellung des Dosisleistungsverlaufes) erstellt werden, mit der das Sta- tionspersonal die erfassten Daten in einer geeigneten, übersichtlichen und anwenderfreund- lichen Form bereitstellen kann. Der entwickelte Algorithmus zur intratherapeutischen Dosi- metrie soll anschließend anhand einer Gruppe von 60 benignen und malignen Schilddrüsen- patienten getestet werden. Zusätzlich werden die ermittelten Werte aus dem Radiojodtest mit dem entwickelten Abstandshalter aus dem Praktikum zur Minimierung von Abstands- und Positionierungsfehlern mit den berechneten Werten aus der Therapie verglichen und damit verifiziert werden. Die Therapieverifizierung soll zukünftig nach wissenschaftlich fundierten Modellen auf der Basis des MIRD-Konzeptes mit Hilfe des Programms OLINDA/EXM erfol- gen. Aus diesem Grund werden die ermittelten Ergebnisse der Dosisbestimmung nach der Marinelli-Formel dem MIRD-Konzept gegenübergestellt und bewertet.

12