Medizinische Physik in der Strahlentherapie

Abteilung Medizinische Physik in der Strahlentherapie

Prof. Dr. Oliver Jäkel

Typische Bildsequenz aufgenommen während der MR-Shuttle-Studie am DKFZ. Sie zeigt einen Patienten mit Lymphknotenmetastasen, aufgenommen während der Fraktionen 6, 11 und 16: konventionelles Cone-Beam CT (obere Reihe), T2-gewichtete MR-Bilder (links) und funktionelles MRT (rechts) vom selben Tag vor der Strahlentherapie. Das mittlere rotgerahmte Bild zeigt eine typische Dosisverteilung für den Patienten.
© dkfz.de

Im Fokus der Forschung unserer Abteilung liegt die Verbesserung der Strahlentherapie unter Verwendung von Röntgen- und Ionenstrahlen. In den laufenden Projekten konzentrieren wir uns vor allem auf die Anpassung der Therapie an dynamische Veränderungen der Zielvolumina und Risikoorgane aufgrund von Organbewegungen, Tumorverkleinerung oder Tumorwachstum, sowie durch Unsicherheiten bei der Patientenlagerung und Immobilisierung. Hierfür entwickeln wir eine bildgeführte und adaptive Therapie, um eine sehr genaue Dosisapplikation mit Online-Bildgebung der dreidimensionalen Anatomie und mit Online-Überwachung von dreidimensionalen Dosisverteilungen zu kombinieren.

Die Abteilung untersucht darüber hinaus, inwieweit sich funktionelle Bildgebung in die Behandlungsplanung und -adaption integrieren lässt mit dem Ziel, strahlenresistente Tumorbereiche höher zu dosieren und strahlungsempfindliche normale Gewebestrukturen besser zu schonen. Die Etablierung mathematischer und biologischer Modelle von Tumor- und Normalgewebsreaktionen ist ein weiteres Instrument zur Optimierung von Behandlungsschemata und Therapiemethoden. Eine der Stärken der Abteilung ist die direkte Übertragung von Prototypen aus der Soft- und Hardwareentwicklung in die klinische Anwendung. Diese erfolgt in enger Zusammenarbeit mit der Klinischen Kooperationseinheit Strahlentherapie (E050). Zusätzlich prüft und etabliert unsere Abteilung adäquate Qualitätssicherungsmaßnahmen. Dazu gehört auch eine Kooperation mit dem nationalen Standardlabor für Dosimetrie und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig mit dem Ziel, neuartige und hochpräzise Dosismesssysteme für gescannte Ionenstrahlen auf Basis der Wasser-Kalorimetrie zu entwickeln. Darüber hinaus entwickelte die Abteilung eine Palette von Weiterbildungsangeboten in der Medizinischen Physik und Radioonkologie, welche teilweise auf einer E-learning Plattform angeboten werden.

Aktuelle Forschungs- und Entwicklungsprojekte konzentrieren sich auf die Entwicklung der MR - geführten Strahlentherapie, um eine gleichzeitige Überwachung der Patientenanatomie während der Behandlung zu ermöglichen. Um diese Informationen nutzen zu können, müssen viele neue Werkzeuge entwickelt werden, darunter schnelle Dosisberechnungsalgorithmen, Strategien für eine schnelle Anpassung des Behandlungsplans sowie Methoden, um die hohe Qualität dieses neuen Behandlungskonzepts konstant zu gewährleisten. Die Abteilung ist, zusammen mit dem Universitätsklinikum Heidelberg und den Abteilungen für Radiologie und Medizinische Physik in der Radiologie (beide am DKFZ), Teil des Heidelberger Konsortiums für die MR-geführte Strahlentherapie, das sich erfolgreich für die Finanzierung eines neuen Hybridgerätes in Heidelberg bei der DFG beworben hat. Das System wird derzeit installiert und Anfang 2018 den klinischen Betrieb aufnehmen. Neue Projekte konzentrieren sich auf das Gebiet der MR-geführten Strahlentherapie unter Anwendung von adaptiven Konzepten. Im Bereich der Ionenstrahltherapie liegt der Schwerpunkt auf der Entwicklung effektiver Strategien zur Verwendung der Röntgenbildgebung im Behandlungsraum für eine verbesserte volumetrische Bildgebung, die für adaptive Behandlungskonzepte benötigt wird. Zur Unterstützung der biologisch geführten Strahlentherapie am DKFZ verfolgen wir die Entwicklung einer einheitlichen Behandlungsplanungs- und Optimierungsplattform, die speziell die Informationen der funktionalen Bildgebung berücksichtigt. In der Schwerionentherapie werden außerdem neue Detektorsysteme untersucht, wie z.B. ein neuer Hybriddetektor, welcher sowohl die Ionenspuren als auch die von ihnen verursachten Schäden in einzelnen Zellen räumlich hochaufgelöst darstellen kann. Ein anderes System realisiert einen Sekundärteilchen-Monitor, welcher die direkte Verfolgung der applizierten Ionenstrahlen im Patienten während der Therapie erlaubt.

Ein weiteres wichtiges Forschungsgebiet ist die Radiobiologie von Ionenstrahlen und das Benchmarking radiobiologischer Modelle. Dies geschieht in verschiedenen Tiermodellen, die eine präklinische Beurteilung der biologischen Wirksamkeit verschiedener Ionenstrahlen in Tumoren und normalen Geweben unter verschiedenen Bedingungen ermöglichen. Um die klinische Umsetzung neuartiger Techniken zu unterstützen, entwickeln wir darüber hinaus neuartige Strategien zur Optimierung der Behandlungspläne, wie z.B. Wahrscheinlichkeitskonzepte, die die Einbeziehung von Unsicherheiten in den Optimierungsprozess ermöglichen. Diese Entwicklungen werden in ein Open Source-Werkzeug für die Therapieplanung (MatRad) implementiert, das auch als Plattform für Kooperationsprojekte dient.

Schließlich gibt es eine Arbeitsgruppe, die für die Entwicklung neuer Hardwarekomponenten zur Unterstützung der Strahlentherapie verantwortlich ist. Zum Aufgabengebiet dieser Gruppe gehört unter anderem die Entwicklung neuartiger Konzepte zur Patientenfixierung oder das Design neuartiger Phantome für dedizierte QA-Anwendungen, aber auch die Lösung spezieller Probleme und Anforderungen der MR-Bildgebung im Strahlentherapieprozess, wie z.B. MR-kompatible Systeme zur Fixierung oder Positionierung von MR-Spulen in den Patienten-Fixierungsvorrichtungen.

Kontakt

Prof. Dr. Oliver Jäkel
Medizinische Physik in der Strahlentherapie (E040)
Deutsches Krebsforschungszentrum
Im Neuenheimer Feld 280
69120 Heidelberg
Tel: +49 6221 42 2540

Ausgewählte Publikationen

  • Dolde, K., Naumann, P., David, C., Gnirs, R., Kachelriess, M., Lomax, A.J., Saito, N., Weber, D.C., Pfaffenberger, A., Zhang, Y.: 4D dose calculation for pencil beam scanning proton therapy of pancreatic cancer using repeated 4DMRI datasets. Physics in Medicine and Biology 63 (16), 165005, 2018.
  • Gabrys, H.S., Buettner, F., Sterzing, F., Hauswald, H., Bangert, M.: Design and Selection of Machine Learning Methods Using Radiomics and Dosiomics for Normal Tissue Complication Probability Modeling of Xerostomia. Frontiers in Oncology (3), 2018.
  • Gillmann, C., Lomax, A.J., Weber, D.C., Jäkel, O., Karger, C.P.: Dose-response curves for MRI-detected radiation-induced temporal lobe reactions in patients after proton and carbon ion therapy: Does the same RBE-weighted dose lead to the same biological effect?. Radiotherapy and Oncology 128 (1), 109-114, 2018.
  • Martisikova, M., Gehrke, T., Berke, S., Arico, G., Jäkel, O.: Helium ion beam imaging for image guided ion radiotherapy. Radiation Oncology 13 (1), 109, 2018.
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