Ionenradiographie mit adaptiver Energieauswahl für eine präzise Strahlentherapie

• Antragsteller: Professor Dr. Oliver Jäkel
• Fachliche Zuordnung: Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 426970603

Das klinische Potenzial der hochpräzisen Ionenstrahltherapie wird durch Unsicherheiten bei der Bestimmung des Bremsvermögens des Patientengewebes und dessen Verteilung im Raum beeinträchtigt. Unser Ziel ist es, diese Unsicherheiten durch eine präzise quantitative Patientenbildgebung auf Basis der Ionenradiographie zu minimieren. Während die meisten Ansätze der Ionenradiographie auf Protonen beruhen, basiert unsere Methode auf Heliumionen. Diese haben das Potenzial, die optimale Strahlungsmodalität für Ionenbildgebung zu werden.Das zu entwickelnde System wird eine am CERN entwickelte Detektortechnologie (Timepix3) nutzen. Es ermöglicht den Nachweis einzelner Ionen und die Messung ihrer Eigenschaften. Die radiologische Dicke des Objektes wird anhand der Energiedeposition, die hinter dem Objekt in einem dünnen Detektor gemessen wird, bestimmt. Um die gesamte Spanne an Dicken der zu behandelnden Körperteile abbilden zu können, wird ein einzigartiges Verfahren mit adaptiver Strahlenergie entwickelt. Die Bildgebungszeiten von nur einigen Sekunden werden durch einen Multienergiebetrieb des Synchrotrons erreicht. Dieser Modus wird es ermöglichen das ganze Bild innerhalb eines Pulses aufzunehmen. Verglichen mit den gegenwärtigen Ionenbildgebungsmethoden, wird diese Methode über einen doppelten dynamischen Bereich verfügen. Dies wird uns erlauben sogar die breitesten zu behandelnden Körperregionen abzubilden. Dafür muss der Energiebereich des Beschleunigers erheblich über die jetzige Maximalenergie der Heliumionen erweitert werden. Zusätzlich muss gewährleistet werden, dass die Strahldiagnostik bei den niedrigen Strahlintensitäten funktioniert. Um eine hohe räumliche Auflösung zu garantieren, wird ein Ionen-Trackingsystem in das Bildgebungssystem integriert werden. Spezielle Bildrekonstruktionsalgorithmen werden entwickelt, um die große Menge der gemessenen Einzelteilcheninformationen optimal zu nutzen. Damit ein Einsatz in der Klinik möglich ist, wird das System eine kompakte Größe, eine einfache Handhabung und hohe Sicherheits- und Komfortstandards für den Patienten aufweisen. Das neue Bildgebungsverfahren wird im Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum unter klinischen Bedingungen an selbst entwickelten Körpermodellen quantitativ evaluiert. Die Vielseitigkeit der Methode wird einen direkten Vergleich der Bildqualität von Radiographien basierend auf Protonen, Helium- und Kohlenstoffionen ermöglichen.Diese Bildführungsmethode stellt einen wesentlichen Fortschritt im Vergleich zum aktuellen Stand der medizinischen Ionenbildgebung dar. Sie wird die Möglichkeit eröffnen, eine stärkere Lokalisierung der Dosis auf den Tumor zu erreichen und damit das gesunde Gewebe weniger belasten. Zusätzlich zum erwarteten Rückgang der Komplikationsrate bei der Behandlung, wird es erlauben, die Dosis im Tumor zu erhöhen. Dies könnte ein wichtiger Schritt sein, um das Potenzial der Ionenstrahltherapie zum Wohle der Patienten noch besser auszuschöpfen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen