Schätzung des Bremsvermögen in Ionentherapie (PROSIT)

• Antragstellerin: Professorin Dr. Magdalena Rafecas, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Medizinische Physik, Biomedizinische Technik ; Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 516587313

Partikeltherapie (CPT) ist eine effektive Tumorbestrahlungsmethode, die hohe Dosismengen in tief liegenden Tumoren applizieren kann und dabei gesundes umliegendes Gewebe besser schont als konventionelle Radiotherapie. Der Hauptvorteil von CPT liegt in seinem Dosisprofil: einem Bragg-Peak genannten Maximum, gefolgt von starkem Dosis-Abfall. Dieser Umstand macht CPT sehr empfindlich für kleine Unterschiede des erwarteten Bremsvermögens (SP) des Gewebes und des tatsächlichen SP während der Bestrahlung. Sicherheitsmargen werden genutzt um die Effekte von Planungsfehlern und Änderungen in der Anatomie des Patienten gering zu halten. Um vollen Nutzen aus den Eigenschaften der CPT zu ziehen ist die Verifikation der Dosis oder der Partikelreichweite unumgänglich. Aktuell werden viele Methoden für solche Verifikationen untersucht, aber noch keine hat die klinische Praxis erreicht. Dazu zählt das vielversprechende Prompt-Gamma-Timing (PGT). Dabei wird die temporale Verteilung detektierter prompter Gammastrahlung (PG) aus Interaktionen der Partikel und Atomkernen des Gewebes analysiert. Unsere bisherige Zusammenarbeit mit INFN-Turin deutet an, dass nicht nur die Partikelreichweite, sondern auch die räumlich-temporale Verteilung der PG aus PGT-Daten mehrerer Detektoren abgeschätzt werden kann. Unsere Methode SER-PGT nutzt dafür ein Modell der PG-Detektion und eine spezielle Implementierung von MLEM. In PROSIT wollen wir diese Methode erweitern und das Bremsvermögen aus der rekonstruierten räumlich-temporalen Verteilung der PG-Emissionen abschätzen, da diese Information über die Bewegung der Teilchen im Gewebe beinhaltet. Zusammen mit INFN-Turin haben wir dieses Prinzip für homogene Phantome mittels Monte-Carlo Simulationen demonstriert. Dafür haben wir aus Bortfelds Modell für das Bremsvermögen basierend auf Geiger’s Reichweitenregel ein analytisches Modell für die Bewegung der Teilchen innerhalb des Gewebes abgeleitet. Die gemeinsamen freien Parameter des Modells optimieren wir anhand der rekonstruierten und weiter verarbeiteten räumlich-temporalen PG-Verteilung aus SER-PGT. In diesem Projekt werden wir die physikalischen Modelle und numerischen Methoden in SER-PGT durch Kompensation von Hintergrundsignalen und Datentrunkierung sowie automatisierter Parameteroptimierung verbessern. Danach werden wir die SP-Abschätzung auf inhomogene Phantome erweitern. Dabei werden wir nutzen, dass beim Pencil-Beam-Scanning die selbe laterale Position mehrmals mit Partikeln verschiedener Energien bestrahlt werden. Zusätzlich werden wir einen alternativen Ansatz untersuchen, bei dem die explizite räumlich-temporale Rekonstruktion übersprungen wird und das SP direkt anhand der PGT-Daten durch Kombination der Modelle für SP und PG-Emission abgeschätzt wird. Langfristig hoffen wir mit unseren Methoden in-vivo Verifikation der Therapieplanung und personalisierte Anpassung des Bestrahlungsplans durch einen Vergleich des berechneten und des echten SP zu ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Italien, Spanien
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Dr. Veronica Ferrero, Ph.D.; Dr. Fernando Hueso-González, Ph.D.; Dr. Francesco Pennazio, Ph.D.