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Mit der Strahlentherapie werden gut- oder bösartige Erkrankungen mit Hilfe von ionisierender Strahlung behandelt. Als ionisierende, hochenergetische Strahlen werden vorwiegend Gammastrahlung, Röntgenstrahlung und Elektronen verwendet. In den letzten Jahren wurden auch Anlagen zur Behandlung mit Neutronen, Protonen und schweren Ionen (häufig mit Kohlenstoff-Atomen) errichtet. Nicht ionisierende Strahlen, wie zum Beispiel Mikrowellen- und Wärmestrahlen, Licht- und UV-Therapie sowie die Behandlung mit Ultraschallwellen, gehören nicht zur Strahlentherapie. Bei der Strahlentherapie wird grundsätzlich zwischen Teletherapie (Bestrahlung von aussen) und Brachytherapie (die Strahlenquelle wird direkt in den Tumor oder nahe daran platziert) unterschieden. In allen Fällen nutzt man die Tatsache aus, dass Tumorgewebe strahlenempfindlicher ist als das umgebende Normalgewebe.
Will man eine extrem kurze Behandlungszeit und trotzdem abtötende Dosen am Tumor, so ist das in ausgewählten Fällen mit der stereotaktischen Radiochirurgie (stark fokussierte, hochdosierte einmalige Bestrahlung) möglich. Diese Methode ist praktisch nur für die Therapie kleinerer Hirntumoren anwendbar. Der Kopf des Patienten wird während der Behandlung mit einem stereotaktischen Ring fest verschraubt. Neuere Geräte fixieren den Patienten schmerzfrei mit einer eng anliegenden Maske. Geeignete Spezialanlagen für die Radiochirurgie sind vollautomatisierte Linearbeschleuniger, die Industrierobotern ähneln, wie beispielsweise das Cyberknife.
Mit modernen Strahlentherapieverfahren können heutzutage in stadienabhängiger Kombination mit Chirurgie und Chemotherapie eine Vielzahl von Tumorerkrankungen auch in fortgeschrittenen Stadien geheilt werden. Über alle Tumorarten und Stadien gemittelt beträgt die Heilungschance ca. 50 %. Einzelne Tumoren, wie etwa der Morbus Hodgkin und das Seminom des Hodens, können fast immer geheilt werden. Die häufigsten Indikationen zur Strahlentherapie sind zurzeit Prostatakrebs, adjuvant nach Brustkrebs-Operationen und beim Enddarmkrebs. Ein besonderer Vorteil ist die Tatsache, dass die Strahlentherapie einen Organerhalt auch in relativ weit fortgeschrittenen Stadien der Erkrankung möglich macht. Hier kann vor allem die Kombination von Strahlentherapie mit einer Chemotherapie bei Krebserkrankungen des Kehlkopfs angeführt werden. Bei anderen Tumorerkrankungen, wie zum Beispiel dem Prostatakarzinom, stehen operative Verfahren und strahlentherapeutische Verfahren zueinander in Konkurrenz mit vergleichbaren Ergebnissen. Hier ist es die Aufgabe des beratenden Arztes, dem Patienten alle Vor- und Nachteile der jeweiligen Verfahren zu erläutern. Erstrebenswert sind in diesem Zusammenhang zertifizierte Tumorzentren, in denen alle Fachdisziplinen vertreten sind, was eine umfassende Beratung des Patienten ermöglicht.