Ein neuartiges Bestrahlungsplanungsmodul zur Berücksichtigung von Lungenmodulationseffekten in der Partikeltherapie von Lungenkrebspatienten

• Antragsteller: Dr. Kilian-Simon Baumann
• Fachliche Zuordnung: Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 511593530

Lungenkrebs ist die häufigste krebsbedingte Todesursache überhaupt. Die Partikeltherapie ist eine vielversprechende Alternative, da sie eine hochkonformale Dosisdeposition im Tumor bei gleichzeitig exzellenter Schonung umliegender Risikostrukturen ermöglicht. Allerdings führt die heterogene Struktur des Lungengewebes zu einer Modulation der Dosisverteilung und insbesondere Verbreiterung des Bragg Peaks. Als Folge dieser Lungenmodulation kann es zu einer Unterdosierung des Zielvolumens kommen. Da jedoch Bestrahlungsplanungs-CTs das Lungengewebe nicht ausreichend auflösen, wird dieser Effekt von klinisch verwendeten Bestrahlungsplanungssystemen nicht berücksichtigt. Zur Beschreibung der Lungenmodulationseffekte hat unsere Arbeitsgruppe den Parameter „Modulationsstärke“ eingeführt, der die Verbreiterung des Bragg Peaks quantifiziert. In Vorarbeiten wurde eine Methode entwickelt, um die Modulationsstärke des Lungengewebes patientenindividuell und ortsaufgelöst auf der Basis klinischer CT-Bilder zu bestimmen. Ferner wurde eine Monte-Carlo-basierte Lösung erarbeitet, um Lungenmodulationseffekte auf klinischen CT-Daten zu reproduzieren. Damit konnte erstmals die Unterdosierung des Zielvolumens für klinische Bestrahlungspläne von Lungenkrebspatienten quantifiziert werden. Das Ziel des hier beantragten Projekts ist eine Modifikation des frei verfügbaren Bestrahlungsplanungssystems matRad, um Lungenmodulationseffekte bei der Bestrahlungsplanung automatisiert und patientenindividuell zu erkennen und zu kompensieren und somit eine präzisere Dosisberechnung für Lungenkrebspatienten zu gewährleisten. Dafür wird unsere Methode, die Modulationsstärke des Lungengewebes patientenindividuell und ortsaufgelöst auf der Basis klinischer CT-Bilder zu bestimmen, in matRad implementiert werden. Eine Methode zur Berücksichtigung der Lungenmodulationseffekte bei der Berechnung der physikalischen Dosis ist für matRad bereits vorhanden. Eine Methode zur Berücksichtigung der Modulation der biologischen Dosis von Kohlenstoffionen wird in diesem Projekt für matRad entwickelt und implementiert werden. Der Bestrahlungsplanungsworkflow mit dem modifizierten matRad wird experimentell validiert werden. Außerdem werden für ein umfangreiches Patientenkollektiv Modulationsstärken für humanes Lungengewebe bestimmt und Auswirkungen häufig auftretender Begleiterkrankungen wie bspw. der COPD auf die modulierenden Eigenschaften des Lungengewebes untersucht. Mithilfe einer Bestrahlungsplanungsstudie wird eine Richtlinie erstellt werden, wie man Lungenkrebspatienten mit Partikeln bestrahlen kann, um Dosisunsicherheiten aufgrund von Lungenmodulationseffekten zu minimieren. Diese Richtlinie dient all jenen Partikeltherapiezentren, die aufgrund rechtlicher Beschränkungen nicht das in diesem Projekt modifizierte Bestrahlungsplanungssystem matRad verwenden können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen