In mei 2017 maakte het Universitair Medisch Centrum (UMC) van de universiteit van Utrecht bekend dat voor het eerst een patiënt was behandeld met een nieuwe radiotherapiemachine, de MRI-Linac. Het UMC zegt dat dit apparaat een tumor terwijl de bestraling gaande is glashelder in beeld brengt. Door nauwkeurige en actuele beeldinformatie zijn daardoor tumoren met chirurgische precisie te bestralen, zonder noemenswaardige schade voor de omliggende gezonde weefsels.
a) Bedenk een situatie waarin de chirurg gehandicapt is doordat bestraling pas plaats vindt na het maken van de beeldopname van de tumor.
b) Waardoor is het risico van schade aan omliggende gezonde weefsels kleiner als actuele beeldinformatie beschikbaar is?
De MRI-Linac is ontwikkeld door prof. dr. Jan Lagendijk, hoogleraar klinische fysica radiotherapie, en prof. dr. Bas Raaymakers, hoogleraar experimentele klinische fysica. Al in 1999 bedacht Lagendijk dat het mogelijk zou moeten zijn een MRI (het beeldopnameapparaat) en een lineaire versneller (het bestralingsapparaat) in één machine te combineren, om zo patiënten beter en sneller te kunnen helpen. Het UMC schrijft dat vrijwel iedereen in het radiotherapieveld dit onbegonnen werk vond, omdat een lineaire versneller (veel metaal) en een MRI (hoog magnetisch veld) elkaar normaliter bijten. Achttien jaar later is het toch zo ver.
Eerst gaan we in op de werking van MRI, afkorting voor magnetic resonance imaging. Het magnetisch veld van het MRI-apparaat heeft een sterkte van 1,5 T. De patiënt mag geen enkel voorwerp in zijn lichaam hebben dat ijzer bevat, zelfs geen make-up, want die kan ijzerdeeltjes bevatten. In dit magnetisch veld zal de 'spin' van een waterstofkern zich parallel of juist anti-parallel aan het magnetisch veld richten. De spin is een kwantummechanische eigenschap van subatomaire deeltjes. In het geval van een waterstofkern wordt die voor het gemak vaak voorgesteld als de wijze waarop deze in een uitwendig aangelegd magnetisch veld om een eigen as draait: met de draaiingsas parallel of anti-parallel aan de magnetische veldsterkte. Door absorptie van een foton kan de waterstofkern van de ene in de andere stand omklappen, mits de energie van het foton overeenkomt met het energieverschil tussen de parallelle en de anti-parallelle stand. Dat energieverschil is evenredig met de sterkte van het magnetisch veld. Bij terugval komt de energie weer vrij in de vorm van een foton. Bij een veldsterkte van 1,5 T hebben de fotonen waarbij dit gebeurt in normaal weefsel een frequentie van 64 MHz. Men zegt daarom dat bij deze frequentie waterstofkernen 'resoneren'. Resonantie wordt hier dus gezien als het gelijk zijn van de energie van het foton (Efoton = hf) aan het energieverschil van de twee spinstanden (ΔE = |Espin parallel – Espin antiparallel |).
Om de tumor te lokaliseren wordt een bundel fotonen van 64 MHz gericht op het weefsel. De fotonen die vervolgens bij terugklappen van de spin van waterstofkernen uitgezonden worden gaan alle kanten uit, en kunnen gedetecteerd worden. De tumor geeft zijn locatie prijs doordat de tijd waarna waterstofkernen terugvallen naar hun evenwichtpositie afhangt van de omgeving waarin zij zich bevinden, en die wijkt in de tumor af van die van gezond weefsel.
c) Tot welk deel van het elektromagnetisch spectrum behoren fotonen van 64 MHz?
d) Vergelijk de sterkte van het magnetisch veld van het MRI-apparaat met dat van de aarde.
e) Wat zou er kunnen gebeuren als de patiënt iets van ijzer in zijn lichaam zou hebben?
f) Op welke principes berust de MRI-techniek?
g) Bedenk of zoek op wat de reden is dat een tumor een afwijkende resonantiefrequentie laat zien.
De Utrechtse vinding berust erop dat de magneet van het MRI-apparaat zo is afgeschermd dat er een zone ontstaan is in de vorm van een donut (ring met gat in het midden) waar in het midden in een klein gebied de magnetische veldsterkte nul is. De afbeelding geeft een impressie van de opstelling en het veldlijnenpatroon. De patiënt ligt op de tafel die in het apparaat geschoven wordt. De protonenversneller draait in een ring om het MRI-apparaat. De versneller stuurt een bundel protonen met hoge energie naar het midden van de ring, naar de plek waar de tumor zich bevindt.
h) Wijs in de tekening aan: het gebied waar de MRI-meting (beeldopname) plaats vindt, de protonenversneller, het gebied waar de magnetische veldsterkte nul moet zijn, de gewenste positie van de tumor tijdens de bestraling en tenslotte de patiënt die klaar ligt voor behandeling.
i) Waarom is het voor behandeling noodzakelijk dat de protonenbundel zich in het gedeelte bevindt waar de magnetische veldsterkte nul is?
j) Waarom draait de versneller om het MRI-apparaat heen?
k) Denk je dat de bewering dat de tumor tijdens de bestraling actueel in beeld is letterlijk klopt?
Als het goed mogelijk is dat de tumor in het lichaam tijdens de bestraling zich niet meer op dezelfde plek bevindt als tijdens het aan de operatie voorafgaande onderzoek, kan het gebeuren dat de straling niet op de juiste plek gericht wordt. Dat speelt bijvoorbeeld bij een darmtumor, want darmen zijn beweeglijk, of in een situatie waarin het tumor inmiddels een andere grootte gekregen heeft.
Uitwerking vraag (b)
Wanneer tijdens de behandeling precies bekend is waar de tumor zich bevindt, is het niet nodig de straling op een breder gebied te richten om er maar zeker van te zijn dat de tumor de goede dosis ontvangt. Zo kan vermeden worden dat ook gezond weefsel onnodig straling ontvangt, met alle risico's van dien.
Uitwerking vraag (c)
64 MHz = 6,4 . 107 Hz. Het betreft dus radiogolven (Binas tab 19).
Uitwerking vraag (d)
De sterkte van het magnetisch veld van de aarde is in Nederland 4,8 × 10−5 T. De sterkte van het MRI-apparaat is 1,5 / 4,8 × 10−5 = 3,2 . 104 keer zo groot, dus ruim dertigduizend keer zo sterk als het aardveld.
Uitwerking vraag (e)
In het zeer sterke magneetveld zou een ijzerdeeltje een grote kracht ondervinden en schade in omringend weefsel aanrichten.
Uitwerking vraag (f)
In een magneetveld worden protonen in resonantie gebracht. De omgeving van de protonen (de onderlinge positie van de atomen met waterstofkernen) bepaalt de resonantiefrequentie. Zo kunnen verschillende weefsels onderscheiden worden.
Uitwerking vraag (g)
Het zijn de waterstofkernen in het weefsel die tot omklappen van hun spin aangezet worden (‘resonantie’). Tumorweefsel verschilt van gewoon weefsel. Dat maakt dat de waterstofkernen een iets andere binding hebben. Dit verschil komt aan het licht in de resonantiefrequentie. Zo onderscheidt het beeld van de tumor zich van dat van omringend weefsel.
Uitwerking vraag (h)
Uitwerking vraag (i)
Bestraling gebeurt met protonen die hun energie hebben gekregen in de versneller. Protonen hebben elektrische lading en zouden dus in een magnetisch veld afgebogen worden, waardoor zij de tumor missen.
Uitwerking vraag (j)
De protonen worden door de versneller in een rechte lijn uitgezonden. Zij gaan dus in het lichaam door gezond weefsel heen alvorens de tumor te bereiken. Door de versneller in een cirkel om de tumor te draaien is de concentratie van protonen in het middelpunt van de cirkel het grootst. Als de tumor zich daar bevindt krijgt hij een veel hogere dosis dan het omringend weefsel.
Uitwerking vraag (k)
Het magnetisch veld ter plaatse van de te bestralen tumor moet nul zijn. Dan is het dus niet mogelijk dat daar tegelijk een MRI-opname plaats vindt. Er is dus altijd een zeker tijdsverschil tussen het in beeld brengen door de MRI en het bestralen. Dat is te realiseren door het brandpunt van de MRI-fotonenbundel enigszins voor dat van de Linac-protonenbundel te leggen, zodat de beeldopname net even eerder plaats vindt dan de bestraling, terwijl de patiënt door de machine schuift. De bewering moet dus niet helemaal letterlijk genomen worden.
