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GaToroid könnte die Zukunft von Krebsbehandlungen revolutionieren
Die am CERN und der EPFL durchgeführte Doktoratsforschung hat zum Entwurf eines neuen Geräts geführt, mit dem eine Spitzentechnologie namens Hadrontherapie für die Krebsbehandlung genutzt werden kann.
2017 begann Enrico Felcini unter der Aufsicht von Bertrand Dutoit, Leiter der Gruppe für angewandte Supraleitfähigkeit an der EPFL, mit seinem Doktorat auf dem Gebiet der angewandten Supraleitfähigkeit. Er befasste sich mit dem von Luca Bottura, der die Magnetgruppe am CERN leitet, erfundenen Konzept eines revolutionären Ringtunnels für die Hadrontherapie. Drei Jahre später ist er nun einer der Erfinder einer neuen Art Ringtunnel auf der Basis von supraleitfähigen Magneten, der die Zukunft der Krebsbehandlung revolutionieren könnte.
Die Hadrontherapie hat in der Medizin grosses Interesse geweckt. Es handelt sich um die erste Strahlentherapie, bei der geladene Elementarteilchen genutzt werden, um sehr genaue Dosen auf einen Tumor abzugeben. Im Gegensatz zur konventionellen Strahlentherapie wird das umliegende Gewebe weniger bestrahlt, wodurch Nebenwirkungen begrenzt und Metastasenbildungen vermieden werden können.
Da ein Hadron jedoch aus geladenen Elementarteilchen besteht, ist ein Magnetfeld erforderlich, damit es das Zielgebiet im Körper des Patienten erreicht. Dafür braucht es ein komplexes Konstrukt aus Magneten in riesigen Geräten. Dieses muss sich dann mit einer Genauigkeit von 0,5 Millimetern (entspricht der Dicke von fünf Haaren) um den Patienten drehen und entpuppt sich so als unglaublich komplexe ingenieurtechnische Komponente. Da es sich um Supraleiter handelt, gibt es bis heute nur zwei solche Anlagen auf der Welt: in Heidelberg, wo das Gerät rund 13 Meter hoch, 25 Meter lang und über 600 Tonnen schwer ist, und im japanischen Chiba, wo es 11 Meter hoch, 13 Meter lang und 250 Tonnen schwer ist.
Verkleinerung
Laut Enrico Felcini kann dank GaToroid nicht nur die Grösse, sondern auch die Komplexität der Hadrontherapiegeräte verringert werden. «Beim GaToroid geht es darum, mithilfe von supraleitenden Ringmagneten ein MRI-ähnliches Gerät zu bauen. Anstelle eines riesigen, sich drehenden Magnetarms, der sich um den Patienten bewegt, besitzt er jedoch ein ortsfestes, kreisförmiges Bauteil, in dem sich der Patient befindet. So können wir die Grösse des Geräts deutlich reduzieren. Im Gegensatz zu einem MRI-Gerät wird der Patient nicht in ein Magnetfeld eingetaucht, sondern ist von Magnetspulen umgeben. Mit dieser Technologie soll die Hadrontherapie einfacher zugänglich werden, weil die Geräte nicht mehr so gross wie ein vierstöckiges Gebäude sind.
«Mein Mentor am CERN, Luca Bottura, ist der «Meister» der Magnete, und es ist toll, mit ihm arbeiten zu können. »
Wenn er über seine Doktoratsforschung nachdenkt, fühlt sich Enrico Felcini privilegiert, an einem so visionären Projekt arbeiten zu dürfen. «Mein Mentor am CERN, Luca Bottura, ist der «Meister» der Magnete, und es ist toll, mit ihm arbeiten zu können. Ich bin wirklich stolz auf meinen Beitrag zum GaToroid, bei dem mehrere physikalische und ingenieurtechnische Aspekte wie Supraleitfähigkeit, Strahloptik, Mechanik, Kryotechnik, Vakuum und Therapiequalifikation integriert werden müssen. Ich habe mich insbesondere mit der Gestaltung der supraleitfähigen Spulen und der Integration der Magnete in die Strahlendynamik über die Nachverfolgung der Partikel befasst. Durch die Kombination all dieser Aspekte hatte ich die wunderbare Chance, nicht nur in einen engen Bereich hineinzusehen, sondern einen Überblick zu bekommen.»
Bertrand Dutoit freut sich, die Karriere und die künftigen Errungenschaften von Enrico Felcini verfolgen zu können, und betont die Vorteile, in einer Region mit erstklassigen Forschungseinrichtungen zu arbeiten. «Die Nähe des CERN bietet der EPFL fantastische Zusammenarbeitsmöglichkeiten. Enrico hatte Zugang zu erstklassigen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern sowie zum Team der technischen Werkstatt, wo er das von ihm entworfene und berechnete System entwickeln konnte. Viele Aspekte des Projekts GaToroid waren mit Herausforderungen verbunden, und jede hatte ihre Besonderheiten, aber Enrico hat ein hervorragendes Doktorat absolviert und ist zu einem Wissenschaftler geworden, der für die im Bereich der Krebsbehandlung tätigen Forschungseinrichtungen und Unternehmen sehr wertvoll sein wird.»
Das erste Vorführmodell befindet sich zurzeit im Bau. Es ist nur noch ein Drittel so gross, aber das Ziel besteht darin, in den nächsten zehn Jahren ein Gerät mit realen Abmessungen zu bauen.