Integration von Prompt Gamma-Reichweitenverifikation und relativer biologischer Wirksamkeit in die multikriterielle Protonentherapieplanung

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Karl-Heinz Küfer; Professorin Dr. Katia Parodi; Privatdozent Dr. Christian Thieke
• Fachliche Zuordnung: Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 441208898

Die Protonentherapie ist eine zunehmend verbreitete Therapieoption gegen Krebs, die eine enge Beschränkung des Hochdosisbereichs auf das Tumorzielvolumen und eine Schonung der Risikoorgane erlaubt, da das Dosismaximum am Bahnende deponiert wird, dem sog. Bragg-Peak. Zwei Aspekte stellen allerdings eine Herausforderung bei der Planung und Durchführung der Protonentherapie dar: 1) Die Position des Bragg-Peaks ist sensitiv gegenüber anatomischen Variationen und Unsicherheiten in der Kenntnis des Gewebe-Bremsvermögens, und 2) die relative biologische Wirksamkeit (RBE) der Protonen ist variabel. Die Bragg-Peak Positionierung wird in der klinischen Routine derzeit durch Vermeidung von Einstrahlrichtungen, die den scharfen Dosisabfall direkt vor kritischen Strukturen platzieren würden, durch Sicherheitssäume, und durch robuste Optimierungsansätze berücksichtigt, um den Preis einer reduzierten Dosiskonformität. Zudem wird im Forschungskontext die durch die Bestrahlung induzierte Prompt Gamma (PG)-Emission für eine in-vivo Reichweitenverifikation genutzt, um ein Dosismonitoring idealerweise in Echtzeit zu ermöglichen. Die variable RBE wird in klinischer Routine derzeit ignoriert und stattdessen ein konstanter Wert von 1,1 angenommen, aber mögliche Implikationen eines variablen RBE-Schemas sind von steigendem Interesse. Das übergreifende Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung von Modellen und Algorithmen, die PG-Monitoring und biologische Wirksamkeit in Form des linearen Energietransfers (LET) und RBE als neue Kriterien in ein Forschungs-Protonentherapieplanungssystem integriert, das auf multikriterieller Optimierung (MCO) basiert. Dieses MCO-System ist ideal geeignet, um Wechselwirkungen konkurrierender Planungsziele zu studieren, und soll neue Einsichten in das klinische Potenzial der PG-Reichweitenverifikation und LET/RBE-Berücksichtigung zusätzlich zu den Standardmetriken Zielabdeckung und Normalgewebsschonung ermöglichen. Die Optimierung des PG-Monitoring umfasst die Identifizierung und Verstärkung der geeignetsten Nadelstrahlpositionen, und die Vorhersage der finalen PG-Bildqualität inklusive Modellierung verschiedener derzeit in Entwicklung befindlicher PG Kameras. Zielfunktionen für PG-Monitoring und LET/RBE-Quantifizierung werden in einen MCO Solver integriert, und die Paretofront durch Generierung einer Plandatenbank approximiert. Die Paretofront wird durch eine graphische Benutzerschnittstelle exploriert, wenn nötig durch nicht-konvexe Navigation. Lokale LET/RBE-Variationen werden modelliert, und Werkzeuge zur gezielten Reduktion oder Erhöhung des LET/RBE bestimmter Teilbereiche entwickelt. In einer Planungsstudie wird das neue System schließlich genutzt zur Untersuchung der Wechselwirkungen von Tumordosis, Risikoorganschonung, LET/RBE-Variationen, und Eignung zum PG-Monitoring, mit dem ultimativen Ziel der besseren Ausnutzung der vorteilhaften Eigenschaften der Protonentherapie zur Verbesserung der klinischen Ergebnisse für Krebspatienten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen