Experimentelle MR-integrierte Protonentherapie
Gruppenleiter: Prof. Dr. Aswin Hoffmann
MR-integrierte Protonentherapie: Behandeln Sie, was Sie sehen, und sehen Sie, was Sie behandeln
Die Magnetresonanztomographie (MRT) bietet eine Bildgebung in Echtzeit mit hervorragendem Weichteilkontrast und ohne Strahlendosis. Es wird erwartet, dass die Zielgenauigkeit der Protonentherapie (PT) von der Integration der Echtzeit-MRT stark profitieren wird, insbesondere bei beweglichen Tumoren im Thorax, im Becken und im Bauchraum.
Die Gruppe leistet Pionierarbeit bei den folgenden technologischen Herausforderungen, um Prototypsysteme für die MR-integrierte Protonentherapie (MRiPT) zu entwickeln und diese Technik für eine erste klinische Anwendung einzusetzen:
1. Prototypentwicklung und magnetische Interaktion
2018 hat die Gruppe den weltweit ersten In-Beam-MR-Scanner realisiert, indem sie einen kompakten, offenen MR-Scanner mit geringem Feldstärke mit einer horizontalen Protonen-Strahlführung kombiniert hat. Im Jahr 2023 wurde ein einzigartiger Ganzkörper-MR-Scanner mit mittlerem Feldstärke und bidirektionaler Ausrichtung, Echtzeit-Bildgebung und automatisierte Tumorverfolgung an der horizontalen Protonen-Strahlführung mit Pencil-Beam Scanning Nozzle installiert. Dieses System wird derzeit für Forschungszwecken in Betrieb genommen. Erste simultane Bildgebungs- und Bestrahlungsexperimente sind gestartet.
2. Behandlungsplanung in Anwesenheit des MR-Magnetfeldes
Für eine genaue Berechnung der Protonendosis in Gegenwart von MR-Magnetfeldern muss der Einfluss der Lorentzkraft berücksichtigt werden. Ein erstes kommerziell erhältliches Monte-Carlo-basiertes Behandlungsplanungssystem wird derzeit zu diesem Zweck getestet und experimentell validiert. Strategien zur Kompensation des Einflusses des MR-Magnetfeldes werden implementiert, um die Qualität der Dosisverteilung für die klinische Anwendung zu bewerten.
3. Dosimetrische Charakterisierung, Qualitätssicherung und magnetische Eignung von Dosisdetektoren
Für die absolute und relative Dosimetrie in Gegenwart des MR-Magnetfeldes wird die magnetische Eignung von Dosimetern und Dosisdetektoren experimentell bestimmt. Es werden Phantome und Messkonzepte entwickelt, die zur Messung und Charakterisierung von Protonendosisverteilungen im In-Beam-MR-Scanner eingesetzt werden können. In enger Zusammenarbeit mit den Medizinphysikexperten aus der Klinik werden auf die Anforderungen des MRiPT zugeschnittene Qualitätssicherungsmethoden entwickelt.
4. On-line adaptive Behandlungsplanung
Es werden verschiedene klinische Indikationen untersucht, um den dosimetrischen Nutzen der MRiPT-Behandlung mit einer horizontalen Strahlführung zu ermitteln. Der Nutzen der adaptiven Behandlungsplanung, einschließlich der Auswirkungen des Magnetfelds, wird für bewegte Zielvolumina wie Leber, Pankreas und Niere untersucht. Die dosimetrischen Auswirkungen von Atembewegungen werden anhand von Echtzeit-MRT-Daten untersucht.
5. Echtzeit-MRT für die Strahlensteuerung
Die Echtzeit-MRT bietet die Möglichkeit, die Dosisapplikation mit der Verfolgung des Zielvolumens während der Bestrahlung zu synchronisieren und dadurch die Zielgenauigkeit zu erhöhen und die Nebenwirkungen auf das normale Gewebe zu verringern. Unser neuester MRiPT-Prototyp ermöglicht die Erfassung von Echtzeit-MR-Bildern von sich bewegenden Zielvolumina während der Bestrahlung. Dieses Projekt konzentriert sich auf die Synchronisierung dieser Bewegungsinformationen mit dem Protonenstrahlabgabesystem und die Untersuchung der elektromagnetischen Wechselwirkung zwischen Echtzeit-MRT und Protonendosisabgabe.
6. Visualisierung von Protonenstrahlen und Überprüfung der Reichweite
In diesem Projekt werden Methoden entwickelt, um mit Hilfe der In-Beam-MRT einen lokalen, protonenstrahlinduzierten MR-Bildkontrast zu erzeugen, der auf die abgegebene Dosisverteilung hinweist. Strahlenergie- und stromabhängige MRT-Signaturen, die der zugehörigen Protonenstrahl-Dosisverteilung in Position und Form ähneln, wurden in Experimenten in Flüssigkeiten und bewegungseingeschränkten Phantomen nachgewiesen. Diese Methoden können daher in der Qualitätssicherung von MRiPT Anwendung finden.
Horizontale Protonenstrahlführung (links) mit In-Beam-MRT Systems (rechts).
Bild: © UKD/Kirsten Lassig
In-Beam-MRT-System mit vertikal ausgerichteten Magnetpolen und horizontale Patientenliege.
Bild: © UKD/Kirsten Lassig