Genaue Dosismessung und -vorhersage
Einer unserer Hauptforschungsschwerpunkte ist die genaue Dosismessung und -vorhersage, ein entscheidender Bereich zur Gewährleistung der Wirksamkeit und Sicherheit von Protonentherapiebehandlungen. Im Rahmen dieses Schwerpunkts sind wir an mehreren hochmodernen Teilprojekten beteiligt. Diese Initiativen zielen darauf ab, die Dosisverabreichung zu verfeinern und die biologischen Auswirkungen der Strahlung zu verstehen, indem hochpräzise Simulationen und fortschrittliche Bildgebungsverfahren eingesetzt werden. Durch die Entwicklung von Methoden, die die Präzision und Anpassungsfähigkeit der Behandlungsplanung verbessern, insbesondere durch strahlenfreie bildgebende Verfahren wie MRT, wollen wir mit unserer Arbeit einen wichtigen Beitrag zur Medizinphysik leisten und die Qualität der Versorgung von Krebspatienten verbessern.
Überblick
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Präzise Simulationen der Dosis und des LETs bei Maushirn-Bestrahlungen
Strahlentherapieplanung für die rein MRT-basierte Protonentherapie
Präzise Simulationen der Dosis und des Linearen Energietransfers bei Maushirn-Bestrahlungen
Für die weitere Untersuchung der biologischen Auswirkungen der Protonenbestrahlung sind präzise Dosisinformationen in dem betreffenden Gebiet erforderlich. Da es keinen allgemeinen Ansatz für die Einbeziehung einer Computertomographie (CT) mit Hounsfield-Einheiten in eine Monte-Carlo-Simulationsumgebung gibt, zielt dieses Projekt darauf ab, verschiedene CT-Kalibrierungsmethoden zu verwenden, um einen Dosisbereich pro Voxel zu schätzen.
Die grundlegende CT-Kalibrierungsmethode ist die weit verbreitete Schneider-Methode (Schneider 2000). Ein weiterer Ansatz ist die MATerial Assignment (MATA) Methode (Permatasari et al., 2020). Die Dosis-Simulation wird mit TOPAS (Perl et al., 2012) durchgeführt.
Kontakt
- Sonia Shrestha. Etablierung eines Workflows zur Simulation von Dosis- und LET-Verteilung für die Kleintierbestrahlung mit Protonen. Masterarbeit, 2023.
- Rabia Sen. Untersuchung der lateralen Strahlprofile bei der Kleintierbestrahlung mit Protonen. Bachelorarbeit, 2023.
- Praveena Ravendran. Optimierung der Strahlformung eines Aufbaus für die Protonenbestrahlung von Mäusen mittels Monte-Carlo-Simulation. Bachelorarbeit, 2022.
- Jannine Salewski. Monte-Carlo-Simulation zur dosimetrischen Validierung für die Kleintierbestrahlung mit Protonen. Masterarbeit, 2021.
- Martin Lau. Effizienzoptimierung eines Aufbaus für die Protonenbestrahlung von Mäusen mittels Monte-Carlo-Simulationen. Bachelorarbeit, 2021.
- Suckert, T.; Müller, J.; Beyreuther, E.; Azadegan, B.; Brüggemann, A.; Bütof, R.; Dietrich, A.; Gotz, M.; Haase, R.; Schürer, M.; Tillner, F.; von Neubeck, C.; Krause, M.; Lühr, A. High-Precision Image-Guided Proton Irradiation of Mouse Brain Sub-Volumes. Radiotherapy & oncology 2020, 146, 205–212. https://doi.org/10.1016/j.radonc.2020.02.023.
- Soltwedel, J.; Suckert, T.; Beyreuther, E.; Schneider, M.; Boucsein, M.; Bodenstein, E.; Nexhipi, S.; Stolz-Kieslich, L.; Krause, M.; Neubeck, C. von; Haase, R.; Lühr, A.; Dietrich, A. Slice2Volume: Fusion of Multimodal Medical Imaging and Light Microscopy Data of Irradiation-Injured Brain Tissue in 3D. Radiotherapy & oncology 2023, 182. https://doi.org/10.1016/j.radonc.2023.109591.
- Permatasari, F. F.; Eulitz, J.; Richter, C.; Wohlfahrt, P.; Lühr, A. Material Assignment for Proton Range Prediction in Monte Carlo Patient Simulations Using Stopping-Power Datasets. Physics in medicine and biology 2020, 65 (18), 185004. https://doi.org/10.1088/1361-6560/ab9702.
- Perl, J., et al. TOPAS: An innovative proton Monte Carlo platform for research and clinical applications. Medical Physics 2012, 39. https://doi.org/10.1118/1.4758060
Strahlentherapieplanung für die rein MRT-basierte Protonentherapie
Bei der modernen Protonentherapie kommen zwei Bildgebungsverfahren zum Einsatz: Computertomographie (CT) und Magnetresonanztomographie (MRT). Während die CT Informationen über den Teilchentransfer im Patienten liefert, zeigt die MRT anatomische Informationen mit hohem Weichteilkontrast und ohne unerwünschte ionisierende Strahlung. Das neue Konzept der reinen MRT-Protonentherapie birgt ein großes Potenzial und erfordert umfangreiche Forschungsarbeiten, unter anderem zur Berechnung der reinen MRT-Protonendosis.
Eine der Strategien besteht darin, aus einem MRT ein sogenanntes synthetisches CT (sCT) zu erstellen, das eine Dosisberechnung mit herkömmlichen Methoden ermöglicht. Es wurden zahlreiche Instrumente vorgeschlagen, von denen DL-Modelle im Allgemeinen besser bewertet werden. Einerseits ist die konventionelle Protonendosisberechnung auf dem sCT jedoch immer noch zeit- und ressourcenaufwändig. Andererseits sind die Modelle zur Erzeugung von sCT mit Unsicherheiten behaftet, was zu einer Unsicherheit bei der Dosisberechnung führt. Es ist wichtig, dass die Modellunsicherheiten nicht nur für die sCT, sondern auch für die endgültige berechnete Protonendosis beherrscht und sogar vorhergesagt werden können.
Auf der Grundlage bestehender Methoden zur Erzeugung von sCT konzentriert sich dieses Projekt auf die schnelle, genaue und zuverlässige Berechnung der reinen MRT-Protonendosis.
Kontakt
- Laura Tsu. Deep learning-based synthetic computed tomography generation from magnetic resonance imaging: investigating the effects of body contour mismatch. Bachelorarbeit, 2023
- L. Tian, A. Lühr, Proton range uncertainty caused by synthetic computed tomography generated with deep learning from pelvic magnetic resonance imaging, Acta Oncol. 62 (2023) 1461–1469. doi.org/10.1080/0284186X.2023.2256967