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Klinik für Strahlenheilkunde

Medizinische Physik - Forschungsprojekte


Ansprechpartner:
Tobias Fechter, M.Sc.
Montserrat Carles Fariña, Ph.D.
Jule Reinalter, M.Sc.

Die Bildgebung ist ein zentraler Bestandteil der Strahlentherapie und dient nicht nur der Diagnostik, sondern bildet auch die Grundlage der Bestrahlungsplanung. Neben der Antwort auf die Frage, wo genau Dosis appliziert werden soll, also beispielsweise der Lokalisation des Tumors und der Risikoorgane, ist die Bildinformation zudem die Basis der Dosisberechnung. Die letztliche Dosisverteilung hängt maßgeblich von den Eigenschaften des bestrahlten Gewebes ab, welche beispielsweise anhand von CT-Bildern identifiziert werden können. Darüber hinaus kommt die Bildgebung auch während des Therapieverlaufes zum Einsatz, beispielsweise um die Lagerung des Patienten oder mögliche Veränderungen in der Anatomie zu überprüfen.

Unsere Forschung beschäftigt sich mit verschiedensten Fragen im Bereich der Bildgebung und Bildverarbeitung, beispielsweise der softwarebasierten Identifikation und Konturierung bestimmter Organe, der Korrektur von Bildartefakten oder der Berücksichtigung von Organbewegungen während der Bildaufnahme.

Konkret arbeiten wir derzeit an folgenden Projekten:

Ansprechpartner:
Giulio Rossi, M.Sc.

Die Monte-Carlo-Simulation (MC-Simulation) ist ein stochastisches Verfahren, welches auf der sehr häufig wiederholten Durchführung von Zufallsprozessen basiert. Der Begriff Simulation meint dabei die virtuelle, computerbasierte Durchführung des Experiments, häufig über mehrere Millionen bis Milliarden Male. Monte-Carlo-Simulationen finden in fast allen Bereichen der Physik ihre Anwendung und dienen dabei häufig als Referenz für experimentelle Untersuchungen. Im Bereich der Strahlentherapie wird in der Regel die Wechselwirkung von Strahlung mit Materie simuliert, beispielsweise mit dem menschlichen Körper oder mit den in der Dosimetrie eingesetzten Messgeräten. Auf diese Weise wird simuliert, welche Dosis in einem bestimmten Körperbereich oder im Messgerät tatsächlich zu erwarten ist. Das Ergebnis der Monte-Carlo-Simulation wird dann als Referenz für die in der Dosimetrie durchgeführten Messungen genutzt.

In diesem Zusammenhang arbeiten wir derzeit an folgenden Projekten:

Ansprechpartner:
Ilias Sachpazidis, Ph.D.

Die High-Dose-Rate-Brachytherapie ist eine spezielle Form der Strahlentherapie, bei der eine oder mehrere umschlossene radioaktive Quellen innerhalb des Tumors oder in dessen unmittelbarer Nähe platziert werden. Die Strahlenfelder sind dabei lokal sehr begrenzt, sodass in kleinen Gebieten (Millimeter- und niedriger Zentimeterbereich) hohe Dosiswerte erzielt werden, während umliegende Strukturen, beispielsweise gesunde Organe, weitestgehend unbelastet bleiben. Da das zu bestrahlende Volumen typischerweise zu groß ist, um allein ausgehend von einer Position mit einer solchen Quelle sinnvoll bestrahlt werden zu können, werden mehrere Katheter gelegt, durch die die Quelle der Reihe nach in den Tumor bewegt wird. Zudem können auch innerhalb der jeweiligen Katheter noch verschiedene Positionen angesteuert werden, um insgesamt eine möglichst homogene Dosisverteilung innerhalb des Tumors zu erreichen.
Bei der Planung dieser Bestrahlung werden komplexe Verfahren genutzt, um die optimalen Katheterpositionen und Liegezeiten der Quelle zu ermitteln.

In diesem Zusammenhang arbeiten wir derzeit an folgenden Projekten:

Ansprechpartner:
Jule Reinalter, M.Sc.

Die oberflächengeführte Strahlentherapie (Surface Guided Radiation Therapy, SGRT) ist eine neue Technik, bei der ein 3D-Oberflächen-Scansystem verwendet wird. Dies dient der 3D-Überwachung der Patientenoberfläche zur Lagerungsüberwachung, zur Überwachung der Oberfläche während der Bestrahlung sowie zum atembasierten Gating. Diese Technik ermöglicht beispielsweise die Bestrahlung in tiefer Inspiration (Deep Inspiration Breath Hold, DIBH), die vor allem für Patientinnen mit linksseitigem Brustkrebs mit dem Ziel der Dosisreduktion in Herz und Lunge eingesetzt wird.

In diesem Zusammenhang arbeiten wir derzeit an folgenden Projekten:

  • Vergleich der Bestrahlung in tiefer Inspiration (DIBH) mit der Bestrahlung in freier Atmung hinsichtlich einer Dosisreduktion in Herz und Lunge
  • Vergleich verschiedener Bestrahlungstechniken (3D, VMAT)  
  • Vergleich von Protonenplanung und Photonenplanung sowie Abschätzung des sekundären Krebsrisikos
  • Analyse der Bestrahlungszeiten mit SGRT/ohne SGRT, mit DIBH/ohne DIBH

Ansprechpartner:
Benedikt Thomann, M.Sc.
Ilias Sachpazidis, Ph.D.

Moderne Bestrahlungsplanungssysteme und Therapiegeräte ermöglichen immer komplexer werdende Dosisverteilungen innerhalb des bestrahlten Volumens. Eine grundsätzliche daraus resultierende Schwierigkeit besteht in der radiobiologischen Bewertung der erzeugten Bestrahlungspläne oder neuen Behandlungskonzepte. Hierfür beschäftigt sich unsere Forschungsgruppe mit der Frage, wie hoch die Wahrscheinlichkeit bestimmter berechneter Bestrahlungspläne ist, den Tumor vollständig zu zerstören bzw. zu „kontrollieren“ (Tumour Control Probability, TCP).

Mit Hilfe mathematischer Modelle und Simulationen lässt sich die TCP anhand tumorspezifischer Parameter und klinischer Daten berechnen. So lassen sich neu entwickelte Behandlungsprotokolle und individuelle Pläne bewerten, bestehende Protokolle optimieren und Konzepte untereinander in ihrer radiobiologischen Effektivität vergleichen.

In diesem Zusammenhang arbeiten wir derzeit an folgenden Projekten:

Ansprechpartner:
Tobias Fechter, M.Sc.
Montserrat Carles Fariña, Ph.D.

Das noch relativ junge Forschungsfeld Radiomics befasst sich mit der Datengewinnung und -analyse großer Mengen quantitativer, bildinhärenter Merkmale aus verschiedenen Bildgebungsmodalitäten (z. B. CT, MRT, PET, US). Ziel von Radiomics ist die Entwicklung beschreibender und prädiktiver Modelle, welche die klinische Diagnosestellung unterstützen und die Auswahl des geeignetsten Therapieplans vereinfachen sollen.

In diesem Zusammenhang beschäftigen wir uns mit den besonderen Herausforderungen der einzelnen Schritte des Radiomics-Prozesses. Derzeit arbeiten wir an folgenden Projekten und Studien:

  • Bildakquisition: Standardisierung und Optimierung von Bildgebungsprotokollen zur verbesserten Vergleichbarkeit der Ergebnisse zwischen verschiedenen klinischen Zentren.
  • Volumensegmentierung: Entwicklung und Evaluation verschiedener Segmentierungsmethoden in PET. Ziel ist die Entwicklung einer möglichst robusten und zugleich präzisen Methode zur Konturierung.
  • Auswahl der Bildinformationen: Definition von Auswahlkriterien für die verschiedenen Bildinformationen, um eine möglichst hohe Aussagekraft mit möglichst geringer Redundanz zu gewährleisten.
  • Entwicklung neuer Modelle, mit deren Hilfe anhand bildinhärenter Merkmale Vorhersagen bezüglich des klinischen Ausgangs einzelner Therapien getroffen und die Therapie für verschiedene Tumorlokalisationen überwacht werden kann (Kopf-/Hals-Tumore - Nicht-kleinzelliges Bronchialkarzinom - Glioblastom - Prostatakarzinom).

Ansprechpartner:
Marie Gemes, M.Sc.
Beata Koczur, M.Sc.
Benedikt Thomann, M.Sc.

Vor ihrer therapeutischen Applikation müssen Bestrahlungspläne durch ein vom ursprünglichen Planungssystem unabhängiges Verfahren geprüft und somit die vom Planungssystem berechnete Dosisverteilung verifiziert werden. Je nach Komplexität des Plans gibt es hierfür verschiedene Möglichkeiten.
Für Bestrahlungen mit statischen Feldern kann die berechnete Dosis durch die Kontrolle der Monitor-Unit-Vorwahl für einen repräsentativen Punkt innerhalb des bestrahlten Volumens überprüft werden.
Für intensitätsmodulierte (IMRT) und volumenmodulierte (VMAT) Pläne ist dies aufgrund der sich zeitlich verändernden Form der Feldsegmente nicht möglich. Diese komplexeren Pläne müssen entweder dosimetrisch mit teilweise aufwändigen Messprozeduren direkt am Linearbeschleuniger oder durch eine zweite, unabhängige Berechnung der Dosis für die im Plan definierten Feld- und Bestrahlungsparameter verifiziert werden.
Das aktuell genutzte Verfahren zur Planverifikation von IMRT/VMAT-Plänen an der Universitätsklinik Freiburg ist die dosimetrische Verifikation mittels verschiedener Messphantome und Detektorsysteme. Dabei wird die Dosisverteilung jedes einzelnen Planes dosimetrisch erfasst und die gemessene Dosisverteilung anschließend mit der berechneten Dosisverteilung verglichen. Aufgrund des damit verbundenen hohen personellen und zeitlichen Aufwandes arbeiten wir derzeit an verschiedenen ergänzenden Konzepten, um den Messaufwand insgesamt zu reduzieren:

  • Untersuchung eines Komplexitätsindexes zur Beurteilung der Plankomplexität und der damit verbundenen Wahrscheinlichkeit für dosimetrische Schwierigkeiten. Der Index soll helfen eine Vorauswahl an Plänen zu treffen, bei denen eine dosimetrische Verifikation sinnvoll bzw notwendig erscheint.
  • Monte-Carlo-Berechnung der Dosisverteilung für die im Plan festgelegten Feldparameter. Ein unabhängiges, auf einer Monte-Carlo-Engine basierendes System überprüft, ob die vom Planungssystem berechnete Dosisverteilung für die individuelle Plangeometrie korrekt ist.

Leiter der Medizinischen Physik

Prof. Dr. sc. hum. Dimos Baltas
Tel.: +49 761 270-94821
Fax: +49 761 270-95530

Email: dimos.baltas@uniklinik-freiburg.de

Stellvertreter

Dr. rer. nat. Michael Kollefrath
Tel.: +49 761 270-95810
Fax: +49 761 270-95530

Email: michael.kollefrath@uniklinik-freiburg.de

Assistent und Sekretariat


Christian M. Fabini
Tel.: +49 (0) 761 270 94821
Fax: +49 (0) 761 270-95530

Email: christian.fabini@uniklinik-freiburg.de