Umfassende Sensitivitätsanalyse für die Ionentherapie zur Auswertung von Unsicherheiten in Reichweite, Bewegung und biologischer Modellierung

• Antragsteller: Dr. Florian Kamp
• Fachliche Zuordnung: Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 286492551

In der Ionentherapie sind Behandlungen mit Protonen und Kohlenstoffionen am weitesten verbreitet. Aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften (Bragg Peak, laterale Aufstreuung) und den daraus resultierenden steilen Dosisgradienten, ist der Behandlungserfolg abhängig von Unsicherheiten. Diese Unsicherheiten, zum Beispiel durch Bewegung oder in der Reichweite beeinflussen den Behandlungserfolg stärker als in der Strahlentherapie mit Photonen. Die limitierte Genauigkeit der biologischen Modellierung stellt eine weitere Unsicherheit dar. Die biologischen Modelle werden benötigt um die relative biologische Wirksamkeit (RBW) von Ionen vorherzusagen. Die genannten Unsicherheiten können im Moment nur durch das Wissen und die Expertise der Behandlungsplaner berücksichtigt werden. Weitere Forschung ist nötig, um objektive Werkzeuge für eine umfassende Risikoanalyse zu entwickeln.Bisher wurden die Unsicherheiten in der Bewegung, der Reichweite und der biologischen Modellierung noch nicht in einer umfassenden Sensitivitätsanalyse der Ionentherapie kombiniert. Ziel dieses Projektes ist es, diese umfassende Sensitivitätsanalyse mit einem statistischen (Monte Carlo) Ansatz zu erreichen. Dieser Ansatz basiert auf der Berechnung von einer großen Anzahl Bestrahlungsplänen (10000-100000) für jeden Patienten. Hierbei werden Unsicherheiten durch Zufallszahlen und ihre Verteilungen simuliert. Die aus der Statistik gewonnen Erwartungs- (Mittel-) Werte und dazugehörige Varianzen (Fehlerbalken) sind neue Informationen und können zu allen verbreiteten Auswertungen von Bestrahlungsplänen hinzugefügt werden. Dies umfasst die Voxel basierte, dreidimensionale Darstellung von Varianzen, die Integration von Fehlerbalken in Dosis-Volumen Histogrammen (DVHs) und die Angabe von Konfidenzintervallen für tumor-control-probability (TCP), normal-tissue-complication-probability (NTCP) und equivalent-uniform-dose (EUD) Werte. Die Sensitivitätsanalyse priorisiert die Unsicherheiten nach ihrem relativen Einfluss auf das Ergebnis.In diesem Projekt wird die Berechnung einer großen Anzahl von Bestrahlungsplänen auf Graphikkarten (GPUs) parallelisiert. Die bereits entwickelte Behandlungsplanungssoftware für Ionentherapie wird effizient auf GPUs implementiert und dabei auf die Anforderungen der Sensitivitätsanalyse zugeschnitten. Der entwickelte Quellcode wird zu einem open-source Softwarepaket hinzugefügt.Dieses Projekt ermöglicht die umfassende Untersuchung von Unsicherheiten in der Ionentherapie und deren Zusammensetzung. Die Ergebnisse können für eine umfassende Risikoanalyse im Behandlungsplanungsablauf eingesetzt werden. Das Ziel ist zu untersuchen, wie kritisch die jeweilige Unsicherheit (Bewegung, Reichweite oder biologischer Modellierung) für den Bestrahlungsplan ist. Zukünftige Anwendungsgebiete der entwickelten Sensitivitätsanalysesoftware sind patientenspezifische Sicherheitssaumkonzepte und robuste Optimierungsansätze, die auf Erwartungswerten und deren Varianzen aufbauen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen