Eine benutzerfreundliche Monte-Carlo-Software zur akkuraten Simulation medizinischer Linearbeschleuniger und der resultierenden Dosisverteilungen am Patienten

• Antragsteller: Professor Dr. Lorenzo Brualla Barbera
• Fachliche Zuordnung: Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 267890656

Die Monte-Carlo-Simulation (MC) gilt als Referenzmethode zur Simulation von Strahlungstransportproblemen in der Strahlentherapie, insbesondere zur Modellierung von medizinischen Linearbeschleunigern (Linacs). Allerdings basieren die meisten Bestrahlungsplanungsprogramme zumindest teilweise auf analytischen Methoden zur Berechnung der Verteilung der absorbierten Dosis im Patienten. Die analytischen Methoden rechnen schneller aber weniger akkurat als MC-Algorithmen. Die Simulationsgeschwindigkeit ist aber nicht die einzige Ursache, die den Einsatz der MC-Simulation in der klinischen Routine weitgehend verhindert, der Aufwand zur Anwendung der MC-Simulation spielt derzeit ebenfalls eine entscheidende Rolle.Zur Lösung dieser Schwierigkeiten haben wir das Computerprogramm PRIMO entwickelt, das auf dem MC-Kode PENELOPE basiert. PRIMO simuliert Bestrahlungsfelder der meisten Linearbeschleuniger der Firmen Varian und Elekta und berechnet die daraus resultierenden Dosisverteilungen in Wasserphantomen oder in Computertomographien von Patienten. Die Software ist frei erhältlich und kann unter www.primoproject.net aus dem Internet von der gesamten Wissenschaftsgemeinschaft heruntergeladen werden.Das vorliegende Projekt strebt die Lösung folgender offenen wissenschaftlichen Fragestellungen an: i) Parallelisierung des allgemein nutzbaren Monte Carlo Strahlungstransportkodes für Graphikprozessoren (GPU) bei vollständigem Erhalt der physikalischen Genauigkeit; ii) Optimierung von verschiedenen simultanen varianzreduzierenden Parametern; iii) Entwicklung eines Algorithmus der es ermöglicht, aus gemessenen Dosisprofilen primäre Strahlparameter abzuleiten; iv) Entwicklung eines schnellen Entrauschungsalgorithmus der die Grenze der statistischen Ungenauigkeit berechnet; v) Entwicklung einer Methode zur experimentellen Bestimmung der Geometrie bislang unveröffentlichter Komponenten medizinischer Linearbeschleuniger; vi) Entwicklung eines Abschätzroutine der statistischen Genauigkeit von Simulationen von multiplen Bestrahlungsfeldern in einer Parallelarchitektur.Die Lösung dieser Fragen ist Voraussetzung um die intensitätsmodulierte Strahlentherapie in PRIMO zu implementieren und die Rechenzeit deutlich zu reduzieren. Das wesentliche Ergebnis dieses Forschungsprojektes ist die Entwicklung eines komplett auf MC basierenden Codes zur Berechnung von Dosisverteilungen und zur Verifikation von Bestrahlungsplänen. Damit würde ein neues Forschungsinstrument für die Medizinphysik und die Strahlentherapie geschaffen, mit denen Probleme gelöst werden können, bei denen bisher analytische Methoden scheitern.Eine genauere Dosisberechnung führt zu einer besseren Therapie, einer effektiveren Verwendung der Strahlentherapie und einem besseren Verständnis der Bestrahlungseffekte in Tumor und Normalgewebe.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Panama, Spanien
• Mitverantwortliche: Privatdozent Dr. Lutz Lüdemann; Professor Dr. Wolfgang Sauerwein
• Kooperationspartner: Dr. Miguel Rodriguez; Dr. Josep Sempau