Forschungsprojekte der Abteilung Medizinische Physik in der Strahlentherapie
Inhaltsübersicht
Dosisberechnung mit der Monte Carlo-Simulation
Von Monte Carlo, der Stadt des vom Zufall regierten Glückspiels, haben Wissenschaftler den Namen entliehen. Sie bezeichnen damit Berechnungsmethoden, die nach dem Zufallsprinzip funktionieren. Zur Anwendung kommen diese sogenannten "Monte Carlo-Simulationen" beispielsweise in der Meteorologie zur Prognose von Klimaveränderungen, in der Finanzwirtschaft zur Vorhersage von Börsenkursen - und auch in der Strahlentherapie: hier wird die Monte Carlo-Simulation zur Berechnung von Dosisverteilungen im Gewebe eingesetzt. Ziel ist es, nach dem Wahrscheinlichkeitsprinzip zu ermitteln, wie sich die bei einer Strahlentherapie eingesetzte Strahlung im menschlichen Gewebe verhält und ausbreitet. Dies ist abhängig von der eingesetzten Strahlenart, von der Strahlenergie sowie von der Dichte und der chemischen Zusammensetzung des bestrahlten Gewebes.
Für eine Monte Carlo-Simulation benötigen die Wissenschaftler für jeden Punkt des vom Tumor befallenen Körperareals im Patienten die Dichte sowie die chemische Zusammensetzung des Gewebes. Hierzu werden Röntgen-Schichtaufnahmen mit dem Computertomographen angefertigt. Die einfallende Röntgenstrahlung wird je nach Gewebetyp unterschiedlich stark abgeschwächt und gestreut. Gewebe, die Strahlung stark abschwächen, wie beispielsweise Knochen, werden im CT-Bild hell dargestellt. Lufträume wie etwa die Nasenhöhlen, die praktisch keine Schwächung hervorrufen, erscheinen schwarz. Auf diese Weise können die Wechselwirkungswahrscheinlichkeiten für die verschiedenen Gewebetypen und Strahlenarten bestimmt werden.
Das Streuungsverhalten der Strahlung ist dort besonders kompliziert, wo viele verschiedene Gewebetypen ganz dicht nebeneinander liegen, wie etwa bei Tumoren im Kopfbereich. Hier kommen Haut-, Fett-, Knochen- und Hirngewebe vor, die benachbart sind von Körperhohlräumen wie Stirn-, Neben- und Kieferhöhlen. Knochen streuen stark, weiches Gewebe weniger, Hohlräume kaum. Liegen viele Hohlräume vor, durch die der Strahl fast ungehindert passieren kann, wird wenig Strahlung in seitlich liegende Gewebe gestreut. Welchen Verlauf nimmt nun der Therapiestrahl? Diese extrem komplizierten Bestrahlungssituationen sind prädestiniert für eine Monte Carlo-Simulation.
Da die Wechselwirkungen zwischen Strahlung und Materie (Gewebe) statistische Prozesse sind, ist die Monte Carlo-Methode ein ideales Verfahren, um die wahrscheinlichen Richtungs- und Energieverteilungen der einzelnen Teilchen des Strahls zu simulieren. Um jedoch eine statistisch ausreichend große Genauigkeit zu erzielen, muss der Weg von sehr vielen, nämlich mehreren 106 Teilchen, im Gewebe simuliert, das heißt, mit Hilfe eines Zufallsgenerators ermittelt werden. Daraus wird dann mit der Monte Carlo-Methode die Dosisverteilung im Gewebe berechnet. Das ist enorm genau. Präziser geht's nicht.
Mit den klinisch etablierten Berechnungsverfahren der dreidimensionalen Strahlentherapieplanung können sich in diesen schwierigen Bestrahlungssituationen Ungenauigkeiten der Bestrahlungsplanung in einer Größenordnung von bis zu 15-20% ergeben. Das heißt, es kann erhebliche Abweichungen geben zwischen der berechneten und der tatsächlichen Dosis im Patienten, was den Erfolg einer Strahlentherapie beeinträchtigt. Der Einsatz der Monte Carlo-Simulation kann somit die Qualität einer Strahlentherapie erheblich erhöhen.
Die Idee zu dieser Berechnungsmethode ist nicht neu. Sie entstand schon vor über 10 Jahren, war damals aber noch nicht realisierbar. Erst seit etwa zwei Jahren sind die Rechnerkapazitäten ausreichend groß, um dieses computertechnisch aufwendige Verfahren anwenden zu können. Allerdings ist das Verfahren auch heute noch zeitlich sehr aufwendig, so dass es nicht routinemäßig in der Klinik eingesetzt werden kann. Doch das kann sich aufgrund der rasanten Entwicklung immer leistungsfähigerer Computer schnell ändern. Ein häufigerer Einsatz in der Klinik wäre wünschenswert. Zwar ist das Equipment teuer, aber es gibt eine preisgünstigere Variante, die am DKFZ angewendet wird: Anstelle eines entsprechend leistungsfähigen und sehr kostspieligen Großrechners wird ein Rechner mit 20 preiswerten PC-Prozessoren eingesetzt, auf die der Rechenaufwand verteilt wird. Zusammen sind sie erheblich leistungsfähiger als ein Großrechner.
Der Einsatz der Monte Carlo-Simulation ist heute komplizierten Tumorlokalisationen vorbehalten, bei denen Gewebe sehr unterschiedlicher Dichte aufeinandertreffen. Am DKFZ wurde sie bei bisher drei Patienten mit Tumoren im Kopfbereich erfolgreich eingesetzt (ein Basaliom, ein Lymphom und ein Rhabdomyosarkom). Die Methode ist generell in der Klinik wenig verbreitet - auch, weil die etablierten Verfahren bei einfachen Fällen meist ausreichend genau sind.
