4D Kegelstrahl Computertomographie als neue Methode zur genauen, zeitlich aufgelösten Dosisberechnung für die Partikeltherapie

• Antragsteller: Dr. Florian Kamp; Professor Dr. Guillaume Landry
• Fachliche Zuordnung: Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 399148265

Kegelstrahl (ConeBeam)-Computertomographie (CBCT) Aufnahmegeräte finden immer mehr Einsatz in modernen Protonentherapieanlagen. Diese Aufnahmegeräte verwenden einen Flachdetektor und ermöglichen dreidimensionale (3D) Volumenaufnahmen mit einer einzelnen Gantrydrehung. CBCTs werden in der bildgeführten Strahlentherapie mit Photonen und Protonen zur interfraktionellen Patientenpositionierung eingesetzt.In den vergangenen drei Jahren wurden Protonendosisberechnungsverfahren auf CBCTs von mehreren internationalen Gruppen, einschließlich unserer, entwickelt. Diese sind nicht trivial, da verglichen mit CT die Bildqualität von CBCT stark reduziert ist. Durch Dosisberechnung auf CBCT können Abweichungen in der Dosisverteilung erkannt werden, die durch interfraktionelle Veränderungen wie z.B. Gewichtsabnahme entstehen. Dies unterstützt die Einführung von adaptiver Strahlentherapie (ART) in welcher während des Verlaufs einer Behandlung Korrekturen durchgeführt werden, um die Planqualität zu erhalten.In der Protonentherapie wird sich nun auch der zusätzlichen Herausforderung durch intrafraktionell atmungsbewegliche Tumoren (der Lunge oder Leber) angenommen. Die Bestrahlungsplanung basiert auf vierdimensionalen CT Aufnahmen (4D-CT), welche einen mittleren Atemzyklus abbilden. Die Genauigkeit eines Behandlungsplanes kann leicht durch Änderungen in der Atmung (z.B. Amplitude oder Frequenz) vermindert werden. Insbesondere die große Sensitivität von Protonen auf solche Änderungen legt 4D Bildgebung auch im Bestrahlungsraum nahe, da diese ART für bewegte Ziele ermöglicht. Dank der langsamen Drehgeschwindigkeit der Gantry erlauben klinische CBCT Geräte die 4D Bildrekonstruktion basierend auf der Zwerchfellposition. Allerdings ist die Bildqualität dieser 4D-CBCTs nicht ohne weiteres ausreichend für Protonendosisberechnungen.Hier liegt das große Potential für eine Erweiterung der 3D-CBCT Korrekturmethoden auf 4D. Hierzu werden wir ein 4D-CBCT Korrekturverfahren entwickeln, welches optimierte CBCT Protokolle, Bildregistrierung und iterative Rekonstruktionsalgorithmen umfasst. Die Methoden werden mit Phantomen ausgewertet und retrospektiv auf Patientendatensätze angewandt. Korrigierte 4D-CBCT Datensätze ermöglichen die Evaluation der zahlreichen Strategien zur Behandlung von bewegten Tumoren – z.B. verschiedene Scanning-Schemata oder Sicherheitssaumkonzepte – und deren Robustheit gegenüber Veränderungen im Verlauf der fraktionierten Protonentherapie.Das Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung von Methoden zur Erstellung von korrigierten 4DCBCT Datensätzen, welche die zeitlich aufgelöste Protonendosisberechnung ermöglichen und damit die Auswertung von ART unter Berücksichtigung der tagesaktuellen Atmung und Anatomie. Die Ergebnisse werden weitere Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der ART für bewegte Tumore ermöglichen, mit dem ultimativen Ziel, die höchstmögliche Präzision in der klinischen Anwendung von Protonentherapie auf bewegte Tumore zu erreichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen