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

Die Forschung unserer Abteilung zielt auf die Verbesserung der Strahlentherapie unter Verwendung von Protonen- und Ionenstrahlen ab. 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 ein online-basiertes Masterprogramm an der Universität Heidelberg (International Master in Clinical Medical Physics (CMP)) sowie weitere Weiterbildungsangebote, um die Ausbildung im Bereich der Medizinischen Physik in der Strahlentherapie zu unterstützen.

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 im Jahr 2017 installiert. 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. Für klinische Anwendungen entwickeln wir derzeit eine eigene Plattform, die auf die spezifischen Bedürfnisse von adaptiven Behandlungsabläufen und neuen Datenstrukturen zugeschnitten ist, um große Datenmengen, die durch die Bildgebung und die Anpassung während des Therapieprozesses entstehen, einfacher handhaben zu können. 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

  • Niklas M; Zimmermann F; Schlegel J; Schwager C; Debus J; Jäkel O; Abdollahi A; Greilich S (2016). Registration procedure for spatial correlation of physical energy deposition of particle irradiation and cellular response utilizing cell-fluorescent ion track hybrid detectors. Physics in Medicine and Biology, 61 (17) (2016) N441-N460
  • Bangert M; Unkelbach J (2016). Accelerated iterative beam angle selection in IMRT.. Medical Physics, 43 (3) (2016) 1073-1082 Glowa C, Karger CP, Brons S, Zhao D, Mason RP, Huber PE, Debus J, Peschke P. Carbon ion radiotherapy decreases the impact of tumor heterogeneity on radiation response in experimental prostate tumors.Cancer Lett. 2016 Aug 10;378(2):97-103
  • Teske H; Mercea P; Schwarz M; Nicolay NH; Sterzing F; Bendl R (2015). Real-time markerless lung tumor tracking in fluoroscopic video: Handling overlapping of projected structures. Medical Physics,42 (5) (2015) 2540-2549.
  • Gillmann C, Jäkel O, Schlampp I, Karger CP (2014). Temporal lobe reactions after carbon ion radiation therapy: comparison of relative biological effectiveness-weighted tolerance doses predicted by local effect models I and IV.. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 2014 Apr 1;88(5):1136-41
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