HELIOS - Entwicklung eines HELium-Ionen Onkologie Scanners für die Reichweitengesteuerte Strahlentherapie (RGRT) nicht-kleinzelliger Lungenkarzinome (NSCLC)

• Antragsteller: Professor Dr. Oliver Jäkel; Professor Joao Seco, Ph.D.; Dr. Niklas Wahl
• Fachliche Zuordnung: Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 457509854

Das Ziel der Strahlentherapie (RT) von Lungenkrebs besteht darin, den Tumor einer therapeutischen Strahlendosis auszusetzen und gleichzeitig die Strahlenexposition von empfindlichen Organen (OARs) wie Lunge, Herz und Speiseröhre zu minimieren. Eine Strahlentherapie ist daher immer ein Kompromiss zwischen erwünschter Tumorkontrolle und ausgelöster Organtoxizität. In der Lunge ist dies besonders herausfordernd, da sich die Tumore aufgrund der Atmung der Patienten bewegen. Hier muss mit Änderungen der Anatomie des Patienten auf Zeitskalen von Sekunden (intrafraktionell) bis zu Tagen oder sogar mehreren Wochen (interfraktionell) gerechnet werden. Interfraktionelle, anatomische Veränderungen sowie intrafraktionelle Bewegung und Unsicherheiten beeinträchtigen die Teilchentherapie für Lungentumore in erheblichem Maße durch die somit erhöhte Strahlendosis in OARs. Ziel unseres Projektes ist die Entwicklung eines Helium-Ionen-Onkologie-Scanners (HELIOS) für die reichweitengesteuerte Strahlentherapie (RGRT), welche die Toxizität bei der Kohlenstoffionen-Therapie nichtkleinzelliger Lungenkarzinome (NSCLC) durch die in-vivo Überwachung der Strahlenexposition sich bewegender Tumore verringern kann. Unser RGRT-Ansatz basiert auf der Einmischung von Heliumionen in den Kohlenstoffstrahl. Die Heliumionen, welche aufgrund ihrer größeren Reichweite bei gleicher Energie pro Nukleon aus dem Patienten austreten, ermöglichen eine in-vivo Echtzeitüberwachung des Kohlenstoff-Bragg-Peaks mit einer Genauigkeit von 2mm.Zur Umsetzung von HELIOS beantragen wir die Finanzierung der benötigten Detektorkomponenten und Forschungspersonals. Ein erfahrener Postdoktorand wird den HELIOS-Prototyp am Heidelberger Ionentherapiezentrum (HIT) entwickeln und durch Anfertigung eines geeigneten Lungenphantoms und entsprechenden Messungen validieren. Hier kann sich das Projekt auf umfangreiche Vorarbeiten zur Untersuchung von gemischten Helium-Kohlenstoff-Strahlen stützen. Ein Doktorand wird gleichzeitig die erforderlichen Algorithmen für die Bildverarbeitung und RGRT-Planung mit HELIOS entwickeln. Dies umfasst sowohl Monte-Carlo Simulationen von Dosisverteilungen und Reichweitenradiographien aus 4D-Bilddaten als auch Unsicherheitsabschätzungen. Der Doktorand wird auf das am HIT validierte Open-Source-Toolkit matRad für die Therapieplanungsforschung bauen, welches am DKFZ entwickelt wurde und als leistungsstarkes Rückgrat für die Softwareentwicklung dient.In der letzten Phase des Projekts werden die HELIOS-Hardware und -Software zusammengeführt, um künftige Forschungsprojekte und Anwendungsszenarien zu ermöglichen. Dabei sollen vor allem weitere Online-Behandlungsdaten, insbesondere Oberflächenbilder, mit den Simulationen und Reichweitenmessungen verknüpft werden, um Protokolle sowie klinische Entscheidungskriterien für zukünftige Forschungsvorhaben und Anwendung von RGRT mit HELIOS zu entwickeln.

• DFG-Verfahren: Neue Geräte für die Forschung
• Großgeräte: DAQ & Hardware Interface ; Imaging System Range Detector ; Imaging System Trackers