Ionoakustik im Zeit- und Frequenzbereich: Ein neues Verfahren zur direkten in vivo Messung der Position des Bragg-peaks bei der Strahlentherapie mit Ionen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Günther Dollinger; Professor Dr. Vasilis Ntziachristos; Professorin Dr. Katia Parodi
• Fachliche Zuordnung: Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 403225886

Die Verifizierung der Ionenreichweite ist wesentlich für die volle Ausnutzung der klinische Vorteile der Ionenstrahltherapie gegenüber Photonenbestrahlung, und beruht derzeit auf kernphysikalischen Abbildungsverfahren mit komplexen und teuren Detektorsysteme. Diese Verfahren liefern darüber hinaus keinen direkten Zusammenhang zwischen dem Dosismaximum (Bragg peak) und der emittierten Strahlung. In unserem neuen Ansatz wollen wir den Druckpuls und die zugehörige Ultraschallwelle, die beim Abbremsen der Ionen im Gewebe entstehen (Ionoakustik), ausnutzen, um die Ionenreichweite mit Ultraschallmethoden zu bestimmen. Diese Technik könnte eine einfache und direkte Möglichkeit bieten, in vivo und in Echtzeit, das konventionelle Ultraschallbild des Tumors mit dem charakteristischen Positionssignal des Bragg-Maximums zu korrelieren. Sie ist darüber hinaus besonders geeignet für die modernen Bestrahlungsschemata mit Pencil-beam-scanning. Erste experimentelle Tests haben allerdings bei klinischen Bedingungen nur ein schwaches Signal ergeben und damit nur eine beschränkte Reichweitengenauigkeit. Die Aufgabenstellung in diesem Projekt wird also sein, dieses schwache ionoakustische Signal im Rauschuntergrund bei klinikähnlichen Bedingungen nachzuweisen und damit die Position des Bragg-Maximums genau zu bestimmen. Dazu wollen wir neue Methoden entwickeln, um das ionoakustische Signal in der Zeit- und insbesondere in der Frequenz-Domäne zu vermessen, die dann mit Protonenstrahlen validiert und optimiert werden sollen. Dieses Ziel soll durch eine intensitätsmodulierte Energiedeposition erreicht werden, die zunächst an einem optoakustischen Aufbau entwickelt wird. Im zweiten Abschnitt des Projekts soll diese Entwicklung an Protonenbeschleunigern mit geeigneten Energien und Strahlbedingungen weitergeführt werden. Im letzten Teil wollen wir neue Bildrekonstruktionstechniken entwickeln, um die Position des Bragg-Maximums mit Ultraschall-Bildgebung zu fusionieren, um somit die Voraussetzungen zu schaffen diese neuartige und vielversprechende Technik in die Tumortherapie einzuführen. Wir werden uns in diesem Projekt auf Experimente mit Protonen beschränken, aber die ionoakustische Technik sollte ebenfalls bei schwereren Ionen einsetzbar sein.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen