Eine neue Generation von Bildgebungssystemen mit Ionenstrahlen: Integration in das Behandlungssystem

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Oliver Jäkel; Dr. Mária Martisíková
• Fachliche Zuordnung: Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 571723060

Jedes Jahr bekommen über 2,7 Millionen Menschen in Europa eine Krebsdiagnose, wobei 50% von ihnen eine Strahlentherapie benötigen. Die Prognose hat sich in den letzten Jahrzehnten dank der technischen Entwicklungen stetig verbessert. Jedoch stellt die Behandlung von Tumoren mit hoher Strahlenresistenz, die nahe an kritischen Organen wie Hirnstamm oder Rückenmark liegen, noch eine große klinische Herausforderung dar.Zwar sind die Geräte für fokussierte Therapien wie der Ionenstrahl-Therapie hochentwickelt, doch unser begrenztes Wissen über die Zusammensetzung und Geometrie des Patientengewebes während der Behandlung bleibt ein Problem. Die derzeitigen bildgebenden Verfahren im Behandlungsraum beruhen auf Röntgenstrahlen und reichen nicht aus, um relevante Veränderungen im Gewebe zu detektieren.Eine Bildgebung mit der gleichen Strahlungsart, die auch zur Behandlung verwendet wird, könnte die Unsicherheiten minimieren. Bei der Ionenstrahl-Therapie stellt das eine hohe technische Herausforderung dar. Derzeit gibt es noch keine kommerziellen, für den klinischen Einsatz zugelassenen Ionenstrahl-Bildgeber. Es mangelt an Lösungen zur Implementierung des Verfahrens in der klinischen Umgebung, ohne den Behandlungsprozess zu stören. Daher ist ein grundlegend anderer Ansatz erforderlich.Wir schlagen vor, ein einzigartiges Ionenstrahl-Bildgebungssystem zu entwickeln, bei dem ein Teil direkt in den Ionenstrahl-Monitor des Beschleunigers integriert wird, während sich der zweite Teil—ein kompaktes und mobiles Gerät—ausschließlich hinter dem Patienten befindet und somit die Behandlung in keiner Weise stört. Das System würde es ermöglichen, vor jeder Behandlung eine quantitative Ionenstrahl-Radiographie mit minimaler Strahlendosis durchzuführen. Die angestrebten Bildparameter erfüllen die klinischen Anforderungen an Präzision, Dosis und Geschwindigkeit. Das System wird für den Einsatz mit Heliumstrahlen optimiert, die Nutzbarkeit mit Protonenstrahlen wird untersucht. Das Projekt wird von einem erfahrenen, interdisziplinären Team aus Beschleuniger- und Detektorphysikern, Ärzten und Ingenieuren durchgeführt. Zunächst werden die zwei Teile des Ionenstrahl-Bildgebers gebaut, die auf komplementären hochmodernen Detektortechnologien aus der Teilchenphysikforschung basieren: Szintillationsfasern und Silizium-Pixeldetektoren. Anschließend werden die Teile des Bildgebers mit dem Ionenstrahl-Monitor des Therapiebeschleunigers kombiniert. Entscheidend sind dabei der synchronisierte Betrieb aller Komponenten, hohe Datenübertragungsraten und spezielle Bildrekonstruktionsalgorithmen. Das Verfahren wird unter klinischen Bedingungen mit Helium- und Protonenstrahlen getestet.Bei Erfolg wird diese innovative Bildgebungsmethode einzigartige klinische Studien zur Verringerung der Bestrahlung von empfindlichen Strukturen nahe des Tumors ermöglichen. Besonders die Strahlentherapie von Kopf-Hals- und Wirbelsäulentumoren wird von der neuen Bildgebungsmethode profitieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Dr. Tim Gehrke; Privatdozent Semi Harrabi, Ph.D.