DEMOSTRAR - Entwicklung von Methoden zur Herstellung von Kleintier-Phantomen für die präklinische Strahlenforschung

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Elisabetta Gargioni; Professor Dr.-Ing. Dieter Krause
• Fachliche Zuordnung: Medizinische Physik, Biomedizinische Technik ; Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 574742188

Die neusten Entwicklungen im Bereich der Kleintierbestrahlung ermöglichen eine schnellere Translation experimenteller Ergebnisse in die Klinik, da somit strahlenbiologische Experimente besser reproduziert werden können. Bei diesen Experimenten werden häufig Mäuse oder Ratten als Tiermodell angewendet, denn ihre komplexe, menschenähnliche Anatomie ist für in-vivo Untersuchungen geeignet. Ein wichtiger Fortschritt in präklinischen Studien ist die Implementierung der Bildführung für die Planung und Durchführung einer Behandlung, welche zu einer präzisen Tumorbestrahlung führt. Für eine genaue Bestimmung der Strahlendosis wird während der Bestrahlungsplanung und Dosisberechnung eine Berücksichtigung der Gewebe-Inhomogenitäten benötigt. Allerdings bestehen typische Phantome (Modelle) für die Dosimetrie und Qualitätssicherung aus einem homogenen Material und weisen eine einfache Geometrie (z.B. zylindrisch) auf. Eine Lösung für dieses Problem bietet die Anwendung der additiven Fertigung (additive manufacturing, AM), auch 3D-Druck genannt. Mit diesem Verfahren können Phantome hergestellt werden, welche auf einer realistischen Anatomie und gewebeähnlichen Materialien basieren. Diese Technik ermöglicht die Fertigung komplexer Modelle aus einem dreidimensionalen Datensatz und bietet hohe Flexibilität bezüglich der Implementierung anatomischer Details (Form und innere Struktur des Phantoms) sowie der Materialauswahl um gewebeähnlicher Eigenschaften gegenüber Absorption von Röntgenstrahlen nachzuahmen. Eine systematische Herangehensweise zur Phantomentwicklung wurde jedoch bis jetzt noch nicht beschrieben, trotz der Notwendigkeit von standardisierten Modellen zur Charakterisierung von Kleintier-Bildgebungs- und - Bestrahlungsanlagen. Die in der Literatur vorgeschlagene Modelle wurde zu spezifischen Zwecken angefertigt und sind deshalb nicht für weitere Anwendungen in einer kostengünstigen und nachhaltigen Weise anpassbar. Ziel dieser Arbeit ist daher die Entwicklung einer Systematik zur flexiblen und modularen Kleintier-Phantomentwicklung und -Qualifizierung in der Bildgebung und Strahlentherapie. Zu diesem Zweck liegt der Fokus auf (i) der Definition eines allgemeinen Fertigungsprozesses für nachhaltige und kostengünstige Phantome, von der Entwicklung eines 3D-Modells zur Auswahl des AMVerfahrens, (ii) dem Aufbau einer Datenbank für 3D druckbare Materialien mit gewebeähnlichen Röntgenabsorptionseigenschaften und (iii) der Entwicklung von 3D-Modellen zur Anwendung in Monte Carlo Simulationen sowie z.B. zur Untersuchung von Bildregistrierungsalgorithmen. Mit der Implementierung dieser Methode und durch die Veröffentlichung der Daten werden wir zu einer Harmonisierung der Daten und einer effektiven Schulung der Nutzer von Kleintier-Bestrahlungsanlagen ohne Nutzung von kleinen Tieren beitragen dies steht im Zusammenhang mit den 3R-Prinzipien (Replace, Reduce, Refine) der Tierforschung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen