Medizinische Physik in der Strahlentherapie

Unsere Forschung konzentriert sich auf physikalische Methoden, welche in der Strahlentherapie zum Einsatz kommen und helfen, die Therapie zu verbessern.

Unsere Forschungsschwerpunkte

Die zentralen Forschungsfragen befassen sich mit der bildgeführten Therapie, also der Einbindung tagesaktueller anatomischer Aufnahmen, welche unmittelbar vor der Therapie aufgenommen werden. Hierfür werden sowohl röntgenbasierte Systeme (sogenannte Kegelstrahl-CT), als auch MRT-Aufnahmen eingesetzt. Ziel ist es, diese Aufnahmen zur Anpassung der Therapie am jeweiligen Behandlungstag einzusetzen (sogenannte adaptive Therapie). Dies ermöglicht es, auf Veränderungen im Gewebe zu reagieren und die Therapie stets optimal an die anatomische Situation anzupassen. Die hierbei zu lösenden Aufgaben beginnen mit der Bildverarbeitung (insbesondere der Verfolgung der anatomischen Strukturen, wofür eine sogenannte deformierbare Bildregistrierung notwendig ist), welche die anatomischen Gegebenheiten korrekt berücksichtigen muss. Anschließend folgt eine Neuberechnung und Optimierung der Dosis anhand der klinischen Vorgaben, sowie eine Überprüfung der Bestrahlungsparameter (Qualitätssicherung), ehe diese in der Behanldung zur Anwendung kommen. Da all diese Schritte zeitkritisch sind, ist der Einsatz moderner KI-basierter Algorithmen unumgänglich. 

All die oben genannten Themen werden in unserer Abteilung auch für die Bestrahlung mit Protonen- und Ionenstrahlen erforscht, der aufgrund der potentiell höheren Genauigkeit der Behandlung eine noch höhere Bedeutung zukommt. 

Ergänzt werden die Forschungsthemen durch Entwicklung neuartiger Messverfahren, die für die Dosimetrie und zum Monitoring der Therapie unter Bestrahlung eingesetzt werden können. Auch radiobiologischen Untersuchungen der Wirksamkeit der Protonen- und Ionenstrahlen kommt eine hohe Relevanz zu, da sie unmittelbar die klinischen Strategien beim Einsatz dieser Therapieform beeinflussen.

Aktuelle Entwicklungen

In enger Zusammenarbeit mit der Klinischen Kooperationseinheit Strahlentherapie am DKFZ konnten wir ein modulares System für die MR-geführte Strahlentherapie in Betrieb nehmen (MARS), welches vor allem für die Integration funktioneller MR-Bildgebung in die adaptive Therapie geeignet ist (vgl. Kim et al. 2024). 

Dieses System wird in mehreren klinischen Studien evaluiert, z.B. in einer Studie zum Zervixkarzinom (vgl. Weykamp et al. 2024) oder in der von uns initiierten multizentrischen Studie zur Rolle der MR-geführten Strahlentherapie von nichtkleinzelligen Lungentumoren (PUMA Trial). Eines der Ziele dieser Studie ist es, durch MR-Untersuchungen noch während der Therapie zu erkennen, ob Patient:innen auf die Therapie ansprechen, oder ob es auch frühe Signale für die Entwicklung von Nebenwirkungen gibt.  

Im Bereich der Ionentherapie konnte Ende 2024 eine Patientenstudie im Rahmen einer klinischen Prüfung zur Einführung der Therapie mit Helium-Ionen am Heidelberger Zentrum für Ionenstrahltherapie (HIT) abgeschlossen werden. Hier haben wir mit radiobiologischen Untersuchungen zur Wirksamkeit dieser Strahlen und damit auch zur genauen Messung der Strahlendosis beigetragen (vgl. Hintz et. al 2022).

In einem weiteren Projekt zur MR-geführten Therapie mit Ionenstrahlen (ARTEMIS-Projekt) konnten wir gemeinsam mit dem Universitätsklinikum Heidelberg am HIT entscheidende Beiträge im Bereich der Dosimetrie von Ionenstrahlen im Magnetfeld (Marot et al. 2023, Surla et al. 2024), der Dosisberechnung im Magnetfeld (Burigo et al. 2022) sowie in der Entwicklung neuer Methoden zur Qualitätssicherung und neuartiger Methoden zur Patientenpositionierung in einem MRT (Beyer et al. 2024) leisten. Das ARTEMIS-Projekt wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert. 

Mit Beginn des Jahres 2025 haben wir außerdem eine Förderung der Carl Zeiss Stiftung erhalten, um zusammen mit dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) die Möglichkeit einer völlig neuen Form der Strahlentherapie mit miniaturisierten Beschleunigern zu entwickeln. Diese beruhen auf einem kürzlich am KIT gefundenen physikalischen Mechanismus zur Beschleunigung von Elektronen mit Hilfe von Laserlicht, welche auf Strukturen basiert, die nur wenige Zentimeter groß sind, sodass es möglich erscheint, diese mit einem Katheter in den Körper zum Tumor zu bringen, um quasi eine Bestrahlung von innen durchzuführen (Ultracompact electron accelerators for internal radiotherapy (UCART)). 

Methoden und Technologien

Die Methoden, die bei uns entwickelt werden und zur Anwendung kommen, basieren insbesondere auf Computeralgorithmen, vor allem im Bereich der Therapieplanung. Hier werden neue Algorithmen entwickelt, die dann prototypisch getestet werden. Ein wichtiges Werkzeug sind hierbei Simulationscodes (sog. Monte-Carlo-Simulationen), die es uns erlauben, physikalische Wechselwirkungen von Strahlung und Materie im Detail zu untersuchen, um die jeweilige Anwendung zu optimieren. 

Ein weiteres großes Forschungsgebiet sind Algorithmen, die auf künstlicher Intelligenz beruhen. Dies sind meist Algorithmen, die helfen sollen, zeitaufwändige Arbeiten, welche meist von Hand ausgeführt werden müssen, zu automatisieren und zu beschleunigen. Hierfür werden große Mengen klinischer Daten benötigt, die wir aus klinischen Studien unserer Partnerinstitute erhalten.

Viele Mitglieder unserer Abteilung sind Physikerinnen und Physiker, die aus dem Bereich der Teilchenphysik kommen. Daher versuchen wir, Messsysteme aus der Teilchenphysik für Anwendungen in der Strahlentherapie zu nutzen. Ein Beispiel hierfür ist der MediPix-Detektor, der am sogenannten Large Hadron Collider (LHC) am Cern in Genf (Schweiz) zum Einsatz kommt und bei uns bspw. zur Bildgebung mit Ionenstrahlen oder zur Überwachung der laufenden Ionenstrahltherapie eingesetzt wird. Wir verwenden diesen Detektor zur Therapieüberwachung und zur Entwicklung neuartiger Bildgebung mit Ionenstrahlen.

In den letzten Jahren haben wir zudem große Expertise im Bereich des Rapid Prototyping, basierend auf 3D-Druckverfahren erworben. Diese werden insbesondere eingesetzt, um realistische, dynamisch veränderliche Körperphantome für verschiedene Körperregionen zu entwickeln. Derartige, sogenannte anthropomorphe Phantome werden für die Überprüfung komplexer Methoden und Algorithmen für die Strahlentherapie benötigt, ehe diese klinisch eingesetzt werden können. 

Schließlich haben wir langjährige Expertise in der Durchführung radiobiologischer Untersuchungen erworben, die es uns insbesondere ermöglicht, an verschiedenen Modellen, die Wirkung von Ionenstrahlen mit der von Röntgenstrahlen zu vergleichen, was für die Optimierung der Ionentherapie von entscheidender Bedeutung ist. 

Ziele und gesellschaftliche Relevanz

Unsere Arbeit zielt darauf ab, die Strahlentherapie weiter zu optimieren und dazu beizutragen, dass diese noch stärker an die jeweils individuellen Gegebenheiten der zu behandelnden Personen angepasst wird (sog. personalisierte Onkologie). Dabei werden insbesondere auch tägliche Änderungen der anatomischen Gegebenheiten berücksichtigt. Außerdem kann die Strahlendosis jeweils optimal auf das Tumorvolumen angepasst werden. Dies macht die Strahlentherapie präziser und damit verträglicher und effektiver. Langfristig werden in diese Optimierung hierbei auch weitere klinische Parameter und etwa genomische Daten der zu behandelnden Personen Eingang finden. Damit tragen wir zur Fortentwicklung der Strahlentherapie bei, die eines der wichtigsten Werkzeuge der onkologischen Therapie darstellt. Die Entwicklung ultrakompakter interner Bestrahlungsgeräte zusammen mit dem KIT könnte dazu beitragen, auch in weniger entwickelten Ländern der Welt eine tragfähige strahlentherapeutische Versorgung von Tumorpatient:innen zu gewährleisten. 

Darüber hinaus engagieren wir uns besonders auch in der Aus-, Fort- und Weiterbildung im Bereich Medizinphysik sowie in der Öffentlichkeitsarbeit. Dazu gehören Kurse und Sommerschulen für Studierende, die berufsbegleitende Fort- und Weiterbildung im Bereich Medizinphysik und Strahlentherapie sowie die Information der Allgemeinheit in öffentlichen Vorträgen und anderen Aktivitäten, die wir für Schulklassen bspw. im Rahmen des jährlichen Internationalen Tages der Medizinphysik am 7. November organisieren.

Eine englischsprachige Übersicht ausgewählter Forschungsprojekte unserer Abteilung finden Sie hier. Außerdem finden Sie weitere Forschungsprojekte auf den Webseiten unserer Arbeitsgruppen.