Fluenzmodulierte Protonen-Computertomographie: ein neuer Ansatz für Niedrigdosis-Bildführung in der Partikeltherapie

• Antragsteller: Dr. Georgios Dedes; Professor Dr. Guillaume Landry
• Fachliche Zuordnung: Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 388731804

Fraktionierte Protonentherapie bietet vorteilhafte Strahlendosisverteilungen im Vergleich zur Photonentherapie aufgrund der physikalischen Natur der Protonen-wechselwirkungen mit Gewebe. Der scharfe Dosisgradient am Ende eines Protonen-strahls kann verwendet werden, um eine hohe Dosis im Tumorvolumen zu deponieren und zugleich gesundes Gewebe optimal zu schonen. Jedoch erfordert die erhöhte Konformität der Protonentherapie auch erhöhte Präzision bei der Dosisverabreichung.Die volumetrische Bildführung hält aktuell Einzug in die Protonentherapie, mit einigen bereits installierten Kegelstrahl-Computertomographiescannern (CBCT). Obwohl die Bildführung die Präzision der Protonentherapie durch eine korrekte Zielvolumenausrichtung verbessern kann, ist wegen der Abhängigkeit der Dosisverteilung von der radiologischen Tiefe bis zum Ziel die geometrische Ausrichtung allein nicht ausreichend, um eine genaue Dosisabgabe zu gewährleisten. Aus diesem Grund ist die Berechnung der sogenannten wasseräquivalenten Tiefe (WET) zum Ziel auf täglichen volumetrischen Bildern der Schlüssel zur Gewährleistung einer hohen Präzision. Idealerweise würde diese Berechnung auf CT-Bildern diagnostischer Qualität erfolgen, welcher eine höhere Bildqualität aufweisen als die CBCT-Bilder. Die diagnostische CT in Behandlungsposition ist im Protonentherapie-Behandlungsraum aus Platzgründen leider nicht möglich, und die Umrechnung der CT-Bilder in die benötigten Bremskraft-Verhältnisse (RSP) leidet an signifikanten Unsicherheiten (wie das CBCT).Proton-Computertomographie (pCT) bietet eine potenzielle klinische Lösung für die oben genannten Probleme durch direkten Messung der RSP in Behandlungsposition. Durch die Verwendung von Einzelteilchenverfolgung und eines Energiedetektors wurden hochgenaue RSP-Bilder aus prototypischen pCT-Scannern erhalten. Darüber hinaus könnten es die physikalischen Eigenschaften der Protonen-Wechselwirkungen erlauben, Bilder mit zu CT äquivalenten Rauschwerten bei niedrigen Strahlendosen aufzunehmen, was für eine häufige Bildgebung entscheidend ist.Bisher wurde pCT mit breiten Protonenstrahlen durchgeführt. Unser Projektvorschlag ist die Entwicklung von Nadelstrahl-Scanning-pCT in Zusammenarbeit mit dem internationalen Konsortium, das den pCT-Prototypen betreibt. Dies würde die Tür zu der Hauptidee unseres Forschungsvorhabens öffnen: Fluenzmoduliertes pCT (FMpCT), bei dem die Intensitäten des Nadelstrahls so eingestellt werden, dass die Dosis für die Bildgebung so gering wie möglich ist bei zugleich ausreichender Bildqualität in allen Bereichen, in denen Protonenstrahlen wechselwirken, und damit eine hochgenaue, täglich aktuelle Einschätzung der WET.Um die Leistungsfähigkeit unserer neuartigen Bildführungsstrategie zu evaluieren, wird ein umfangreicher Vergleich mit modernster CBCT sowohl in Simulationsrechnungen als auch experimentell durchgeführt. Wir wollen damit den Stellenwert von FMpCT für die Bildführung in der Protonentherapie festlegen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich(e): Professorin Dr. Katia Parodi