Abteilung Medizinische Physik (E040)

Forschungsschwerpunkt E
Innovative Krebsdiagnostik und -therapie
Abteilung E040
Medizinische Physik in der Strahlentherapie
Abteilung Medizinische Physik (E040)
Leiter: Prof. Dr. Wolfgang Schlegel
Wissenschaftliche Mitarbeiter
Dr. Simone Barthold-Beß
Dr. Rolf Bendl
Dr. Klaus Borkenstein
Dr. Andreas Eisenmenger (3/02-12/03)
Silvia Handlos
Prof. Dr. Günther Hartmann
Dr. Peter Heeg
Dr. Bernd Hesse
Dr. Ralf Hinderer (10/03 -) Angelika Höss
Ina Kyas (1 - 10/03)
Priv. Doz. Dr. Oliver Jäkel
Dr. Christian Karger
Dr. Sabine Levegrün (- 8/03)
Dr. Andreas Lüttgau (8/02 - 5/03)
Dr. Simeon Nill (1/02 -)
Priv. Doz. Dr. Uwe Oelfke
Dr. Mike Partridge (- 6/02) Dr. Maria Scherer (3 - 7/02)
Marc Schneberger (12/02 - 3/03)
Dr. Hanitra Szymanowski
Christian Thieke (- 11/03)
Gastwissenschaftler
Mohammad Anisuzzaman Bhiyan (8 - 9/03) Dhaka, Bangladesh
Valentin Artemiev (8 - 9/02) Minsk, Belarus
Sarah Banu (8 - 09/03) Dhaka, Bangladesh
A. N. M. Monirul Huda (8 - 9/03) Dhaka, Bangladesh
Abu Sinha Khalid (8 - 9/03) Dhaka, Bangladesh
Luciana Pavel (- 12/02) Cluzj, Rumänien
Muhammad Masud Rana (8 - 09/03) Dhaka, Bangladesh
Sylwia Pysklak (1- 2/03) Krakau, Polen
Prof. Valery Vengrinovich (6/03) Minsk, Belarus
Anna Wysocka (10/03 -) Krakau, Polen
Doktoranden
Lars Dietrich (4/02 -)
Rüdiger Hofmann (- 5/03)
Werner Korb (- 5/02)
Gerhard Lechsel (3/03 -)
Andreas Lüttgau (- 7/02)
Thomas Neff (11/02 -)
Irmtraud Reitz (1/03 -)
Marc Schneberger (- 11/02)
Christian Thieke (- 10/03)
Jan Unkelbach (11/02 -)
Christian Frühling (5/02 -)
Robert Illés (2/03 -)
Ina Kyas (11/03 -)
Thorsten Liebler (-12/03)
Urban Malsch (6/03 -)
Simeon Nill (- 1/02)
Maria Scherer (- 2/02)
Christian Scholz
Thomas Tücking (12/02 -)
Jan Wilkens
Diplomanden
Michael Becker (5/02 - 8/03) Katrin Faiß (12/03 -)
Oksana Filipenko (7/03 -)
Christian Frühling (5/02 -)
Biljana Gigic (8/03 -)
Martin Högner (9/02 - 8/03)
Stefanie Hürtgen (5/03 -)
Martina Hub (8/02 - 12/03)
Elisabeth Janisch (10/02-12/03) Ina Kyas (- 12/02)
Gerhard Lechsel (2/02 - 2/03) Arne Littmann (- 4/02)
Urban Malsch (- 4/03)
Thomas Neff (- 11/02)
Sima Qamhiyeh (3 -12/03)
Petra Reiß (1 - 12/03)
Christian Sanner (- 7/02)
Nadine Siemer (2/02 - 2/03)
Martin Tacke (12/03 -)
Thomas Tücking (-12/02)
Eugen Wehrwein (4/03 -)
Tim Weiskat (11/02 - 6/03)
H. J. Wertz (04/02 - 11/02)
Wissenschaftliche Hilfskräfte
Leyla Cira (10/02 - 6/03)
Silvana Halbauer (9/03 -)
Bettina Reck (11/03 -)
Anja Tropp (4/03 -)
Praktikanten
Johanna Schneider (6 - 7/03) Ryan Smith (5 - 8/02)
Auszubildende
Cosima Helbig (9/02-) BA Studentin
Christian Opitz (9/03 -) BA Student
Ariane Pölking (9/03 -) BA Studentin
Sven Süptitz (9/03 -) BA Student
Sabine Willius (9/02 -) BA Studentin
Technische Mitarbeiter
Karin Beinert
Gernot Echner
Wilfried Müller
Susanne Schmitt (- 10/02)
Christoph Döttling
Clemens Lang (10/02 -)
Andreas Rau (- 4/02)
Zivildienstleistende
James Anderson (5 - 8/02)
Hendrik Burgdörfer (8/02 - 5/03)
Matthais Häfner (8/02 - 5/03) Sebastian Hohl (9/03 -)
Thomas Oberniedermayr (9/03 -)
Die Abteilung ‘Medizinische Physik’ greift neue Ansätze
aus der Mathematik, den Natur- und Ingenieurwissenschaften sowie den dreidimensionalen bildgebenden Verfahren der Radiologie (CT, MRT, PET und SPECT) auf, um
sie in schonende und effiziente lokale Therapieverfahren
umzusetzen. So arbeitet die Abteilung u.a. an der Entwicklung von neuen, rechnergestützten Therapie-Planungsverfahren. Im Mittelpunkt stehen derzeit die Planungsverfahren der sog. ‘Inversen Strahlentherapieplanung’, die einen völlig neuen Ansatz vor allem bei der Behandlung von Tumoren in der Nähe strahlenempfindlicher
Organe bilden. Um solche neuen Planungsverfahren einsetzen zu können, müssen ebenfalls neue Behandlungstechniken entwickelt werden.
Ein weiteres Forschungs- und Entwicklungsgebiet betrifft
daher die Bestrahlungstechniken selbst. So werden z.B.
für die Strahlentherapie dynamisch steuerbare Blendensysteme (sog. ‘Multileafkollimatoren’) entwickelt, um
durch die Überlagerung intensitätsmodulierter Strahlenfelder (IMRT) tumorkonforme Strahlendosisverteilungen
erzielen zu können. Ein anderer Weg ist der Einsatz
energievariabler scannender Protonen- oder Schwerionenstrahlen. Hier ist die Abteilung in Kooperationsprojekte mit physikalischen Grundlagenforschungsinstituten,
die über solche Bestrahlungsmöglichkeiten verfügen, eingebunden und betreibt zusammen mit der Universitätsklinik Heidelberg und der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt die Planung und Vorbereitung einer klinischen Hadronen-Therapie-Anlage in Heidelberg, die in den Jahren 2006/2007 den klinischen Betrieb aufnehmen soll.
Geometrische Ungenauigkeiten bei der Applikation einer
Tumortherapie beeinträchtigen die Erfolgsaussichten einer lokalen Tumorbehandlung wesentlich. Ingenieure
und Physiker der Abteilung arbeiten daher an neuen,
stereotaktischen Lokalisations- und Immobilisierungsverfahren, die eine wesentlich größere Genauigkeit der Applikation von Strahlung versprechen. Ein neuer und vielversprechender Ansatz ist die Integration bildgebender
Verfahren in das Bestrahlungsgerät, um die Lage und
Ausdehnung von Tumoren unmittelbar vor und auch
während der Behandlung bei dem in der Bestrahlungsposition gelagerten Patienten erfassen und berücksichtigen
zu können. Für diese sog. “Adaptive Strahlentherapie”
werden spezielle Flächendetektoren und Rekonstruktionsalgorithmen zur Berechnung dreidimensionale CTBilder eingesetzt. Die Adaptive Strahlentherapie verspricht bei all den Strahlenbehandlungsverfahren verbesserte Erfolgsaussichten, die bisher wegen der Lage- und
Formvariabilität des Zielvolumens sehr mit der Konformationstherapie oder der IMRT schwierig zu behandeln waren.
Neben der zeitlich adaptierten Strahlentherapie soll zukünftig auch an einer biologisch adaptierten Therapie gearbeitet werden. Die Grundlage hierfür sind die neuen
Verfahren der biologischen Bildgebung wie physiologische, funktionelle und metabolische PET- und SPECT-
DKFZ 2004: Wissenschaftlicher Ergebnisbericht 2002 - 2003
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Forschungsschwerpunkt E
Innovative Krebsdiagnostik und -therapie
Untersuchungen mit Therapie-relevanten Markern, fMRI
und MRS. Eine bessere biologische Differenzierung des
Tumorgewebes könnte z.B. zu einer weiteren verbesserten Anpassung der Strahlendosisverteilungen an ein Zielvolumen auch bezüglich der Variabilität der Strahlenempfindlichkeit führen, während die adäquate Berücksichtigung der heterogenen Strahlenempfindlichkeit von Risikoorganen das Potential der Verringerung von Nebenwirkungen hat.
Die unterschiedlichen interdisziplinären Forschungs- und
Entwicklungsansätze der Abteilung, die alle das gemeinsame Ziel haben, Nebenwirkungen von Tumorbehandlungen zu verringern und die therapeutische Wirkung zu
steigern, werden in den folgenden Beiträge anhand einiger ausgewählter Aspekte erläutert.
296
Abteilung E040
Medizinische Physik in der Strahlentherapie
Physikalische Modelle (E0401)
U. Oelfke, B.-M. Hesse, M. Partridge, S. Nill,
H. Szymanowski, R. Hinderer, C. Thieke, L. Pavel,
C. Scholz, J. Unkelbach, J. Wilkens, L. Dietrich,
T. Tücking, I. Reitz, N. Siemer, E. Janisch
In Zusammenarbeit mit Prof. G. Hartmann, A. Höss, Dr. R. Bendl,
DKFZ, Abt. Medizinische Physik; B. Rhein, P. Häring, DKFZ,
Zentraler Strahlenschutz; PD Dr. Dr. J. Debus, PD Dr. C. Thilmann, Dr. M. Münther, DKFZ, Klinische Kooperationseinheit
Strahlentherapeutische Onkologie; Dr. M. Aleksi Keller-Reichenbecher, Dr. C. Schulze, Dr. M. Lauterbach, Dr. J. Stein, Siemens
(OCS) Heidelberg; Prof. S. Webb, Dr. M. Partridge, Royal
Marsden Hospital, ICR, Sutton, UK; Prof. M. Karlsson, Dr. B.
Zackrisson, L. Olofson, Department of Oncology, University of
Umea, Schweden; Dr. M. Svatos, Dr. D. Hristov, Dr. S. Gliessmann, Siemens Oncology Care Systems (OCS), Concord, USA;
Dr. A. Lomax, Paul Scherrer Institute (PSI), Villigen, Schweiz;
Prof. T. Bortfeld, Prof. Dr. H. Paganetti, Massachusetts General
Hospital, Dept. of Radiation Oncology, Boston, USA; Prof. M.
Kröning, Dr. M. Maisel, Dr. S. Gondrom, Dr. H. Reiter, Fraunhofer
Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren (IZFP), Saarbrücken;
Prof. A. K. Louis, Institut für Angewandte Mathematik, Universität des Saarlandes, Saarbrücken; PD Dr. K.-H. Küfer, Dr.
H. Trinkaus, Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik,
Kaiserslautern; Prof. V. Malka. Laboratoire Optique Apliquee
(LOA), Paris, Frankreich; Dr. L. Müller, IBA Advanced Radiotherapy, Schwarzenbruck; Prof. R. Männer, PD Dr. J. Hesser,
Universität Mannheim, Lehrstuhl für Informatik V.
Zusatzfinanzierung: Die F&E-Arbeiten der Arbeitsgruppe werden
durch Mittel der DFG, der Deutschen Krebshilfe,des Tumorzentrums Heidelberg-Mannheim sowie der Fa. Siemens (OCS)
Concorde unterstützt.
Ziel der Arbeiten unserer Gruppe ist die Verbesserung der
Tumortherapie durch Entwicklung und Anwendung mathematisch-physikalischer Modelle. Die Arbeiten befassen
sich sowohl mit grundlegenden Problemen der Wechselwirkung zwischen Strahlung und Geweben als auch mit
der Entwicklung von Methoden zur klinisch relevanten
Dosisapplikation und Therapieverifikation. Der Schwerpunkt
liegt auf der Optimierung der Strahlentherapie, insbesondere auf den Gebieten der sogenannten intensitätsmodulierten Radiotherapie (IMRT) mit Photonen als auch
neuer Therapieformen, die Ionenstrahlen zur Tumortherapie
verwenden. Aufbauend auf unseren Entwicklungsarbeiten
der vergangenen Jahre konnten seit 1997 mehr als 500
Patienten am DKFZ mit der Methode der IMRT und unter
Verwendung des von uns entwickelten Planungssystems
KonRad behandelt werden [1,2]. Dadurch war es bei diesen Patienten möglich, das zu bestrahlende Zielvolumen
mit einer höheren Dosis zu behandeln und/oder empfindliche gesunde Organe bei der Bestrahlung weniger zu belasten. Das DKFZ ist damit eines der in Europa führenden
Institute zur Anwendung der IMRT in der klinischen Praxis.
Erstes Ziel zur Verbesserung und Erweiterung der Optimierung der konventionellen IMRT mit Photonen war die
Entwicklung eines neuen Planungskonzeptes, das es dem
Therapeuten ermöglicht alle klinisch sinnvollen Kompromisse zwischen Tumorkontrolle und Nebenwirkungswahrscheinlichkeiten sicher und schnell zu finden. Das Konzept
dieser sogenannten multi-kriteriellen Optimierung der Strahlentherapie wurde in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer
Institut für Wirtschaftsmathematik und dem Massachussets
General Hospital in Boston entwickelt. Die ersten Ergebnisse dieser Arbeit im Rahmen einer Dissertation [3] wurden mit dem ESTRO Preis für die beste wissenschaftliche
Arbeit auf dem Gebiet der Medizin-Physik im Jahr 2003
ausgezeichnet.
DKFZ 2004: Wissenschaftlicher Ergebnisbericht 2002 - 2003
Forschungsschwerpunkt E
Innovative Krebsdiagnostik und -therapie
Des weiteren wurde die klinische Version der PlanungsPlattform KonRad weiter verbessert. Neben der Entwicklung neuer Zielfunktionen, mit denen eine gezieltere Dosishomogenität im Tumor erreicht werden kann [4], wurden
die Verwendung weiterer biologischer Parameter, wie die
‚equivalent uniform dose’ (EUD), für die inverse Planung
evaluiert [5,6,7]. Ein weiteres wichtiges Projekt war die
Integration eines äußerst präzisen Dosisalgorithmus in die
iterative Optimierung [8]. Wie in Abb. 1 gezeigt, konnte
damit insbesondere eine deutliche Verbesserung in der
Bestrahlung von Lungentumoren erreicht werden [9]. Zur
Beschleunigung der inversen Therapieplanung wurde zudem ein neues Verfahren entwickelt, dass auf einem statistischen Importance-Sampling des Dosiskerns beruht und
damit die Optimierungszeit um ca. einen Faktor 3 reduziert
ohne dabei die klinisch erforderliche Dosisgenauigkeit zu
unterschreiten [10]. Im Bereich der Photonen IMRT wurden zudem Planungsstudien zur Dosisapplikation mit verschiedenen Multi-Leaf Kollimatoren (MLK) durchgeführt
[11]. Des weiteren wurde in Zusammenarbeit mit der Fa.
Siemens die Anbindung eines neuen Multi-Leaf Kollimators
mit extrem kleiner Leafbreite an den Linearbeschleunigers
des DKFZ realisiert, so dass auch hochkomplexe Zielvolumina
optimal mit Dosis versorgt werden können [12].
Abb. 1: Links: 3D Dosisverteilung eines Lungentumors bei der
Optimierung mit einem konventionellen Dosisberechnungsalgorithmus Die 95% Isodose umfasst nicht das gesamte Planungszielvolumen (PTV). Rechts: Optimierte 3D Dosisverteilung durch
den Einsatz hoch präziser Dosisberechnungsalgorithmen. Die
95% Isodose umschließt nun das ganze Planungszielvolumen und
gewährleistet die Zerstörung des Tumors.
Ein weiterer Schwerpunkt unserer Arbeit ist zur Zeit die
Anwendung des Konzeptes der IMRT auf Bestrahlungen
mit geladenen Teilchen, insbesondere auf die Protonentherapie (IMPT, intensitätsmodulierte Protonentherapie)
[13]. Die Methoden der inversen Therapieplanung für Pho-
Abteilung E040
Medizinische Physik in der Strahlentherapie
tonen wurden dazu um eine Dimension erweitert, um auch
die Energien der geladenen Teilchen mit zu optimieren [14].
Erste klinische Beispiele für die Optimierung der IMPT wurden zunächst mit einem einfachen Protonen-Dosisberechnungsalgorithmus berechnet. Im Berichtszeitraum wurde
ein neuer Dosisalgorithmus für die Protonentherapie entwickelt, der insbesondere die Dosis beim Auftreten von
Gewebeinhomogenitäten schnelle und präzise bestimmt.
Als Beispiel wird in Abb. 2 gezeigt, wie Dosisfehler von bis
zu 10% beim Auftreten von Lufthöhlen oder Knochen im
Strahlengang mit dem neuen Verfahren vermieden werden können. Zudem wurde ein Modell zur Berechnung der
physikalischen Dosis eines Kohlenstoffionenstrahls (12C) in
das Planungsmodul integriert und zu ersten vergleichenden Patientenstudien zwischen Photon-IMRT und IMRT
mit Protonen und 12C-Ionen benutzt. Bei der Behandlung
mit Protonen konnte bei gleichbleibender Dosisqualität im
Zielvolumen eine signifikante Reduktion der Dosis in den
Risikoorganen festgestellt werden [17].
Die Anwendung der neuen IMPT Planungsverfahren und
weitere Entwicklungen, z.B. im Hinblick auf biologische Eigenschaften geladener Teilchen, werden weiter untersucht. Aufbauend auf einem neuen Verfahren zur Berechnung 3-dimensionaler LET Verteilungen [18] und eines
phänomenologischen Modells zur Beschreibung der relativen biologischen Wirksamkeit konnten erstmals neueste
IMPT Techniken unter Berücksichtigung dieser biologischen
Aspekte der Teilchentherapie optimiert werden [19].
Weitere im Berichtszeitraum begonnene Untersuchungen
zum Einsatz geladener Teilchen in der Strahlentherapie
befassten sich mit der Evaluierung von Monte-Carlo
Methoden (GEANT4) zur Protonendosisberechnung sowie der Optimierung intensitätsmodulierter Elektronenstrahlen zur Behandlung des
Mamma-Karzinoms [20].
Weil schon geringe Abweichungen bei der Applikation der therapeutischen Strahlung den Erfolg
der Behandlung wesentlich beeinträchtigen können, ist der Aspekt der Therapieverifikation und
der zeitlichen Adaption des Therapiekonzeptes
ebenso wichtig wie die genaue Berechnung und
Optimierung der Dosisverteilung. Aus diesem Grunde wurden unsere erfolgreichen Ansätze zur
Therapieverifikation mit dem Ziel erweitert, neue
Strategien zur zeit-adaptierten Strahlentherapie zu entwickeln. Neben der Realisierung neuer Hardware-Konzepte zum Patienten-Monitoring, wie z. Bsp. der Integration
einer kV-Röntgenquelle am Therapiebeschleuniger, sollen
die gewonnenen Information über Patientenanatomie und
Abb. 2: Fehlerdarstellung bei der Protonen Dosisberechnung in inhomogenen Medien (Lufteinschluss in 10 - 12 cm Tiefe). Links:
Prozentualer Unterschied in der Energiedosis zwischen 1D Pencil Beam Algorithmus und Monte Carlo Simulation. Es sind deutliche
Abweichung bis zu 10% zu beobachten. Rechts: Bei dem Einsatz der neu entwickelten 2D analytischen Skalierung wird der maximale
Fehler ca. 2-3 % reduziert.
DKFZ 2004: Wissenschaftlicher Ergebnisbericht 2002 - 2003
297
Forschungsschwerpunkt E
Innovative Krebsdiagnostik und -therapie
tatsächlich applizierter Dosis in die Therapieplanung zurückgeführt werden und so zu einer weiteren Verbesserung
der Strahlentherapie im Körperstammbereich führen. Erste Ansätze zur zeit-adaptierten inversen Planung wurden
im Berichtszeitraum entwickelt and anhand theoretischer
Modelle evaluiert [21].
Für die Therapieverifikation ist uns erstmals in einem Experiment mit einem Rando-Alderson Phantom gelungen die
Absolutdosis eines IMRT Plans mit einem electronic portal
imager device (EPID) durch Transitdosimetrie zu verifizieren [23]. Diese Arbeit, bei der die ‚Patienten-Geometrie’
durch eine MV-Computertomographie mit dem Strahl des
Linearbeschleunigers rekonstruiert wurde, beruht auf einem verbesserten Verfahren zur Korrektur, der im Patienten erzeugten Streustrahlung. Die Entwicklung und
Evaluierung dieses Verfahrens im Rahmen einer Diplomarbeit [24] wurde im Jahr 2002 mit dem Vortragspreis der
DGMP ausgezeichnet.
Publikationen (* = externer Koautor)
298
Abteilung E040
Medizinische Physik in der Strahlentherapie
[14] Nill S, Bortfeld T, Oelfke U: Inverse Planning of Intensity
Modulated Proton Therapy, Zeitschrift für Medizinische Physik, 14
(1) (2004) 35-40
[15] Szymanowski H, Oelfke U: CT calibration for two-dimensional
scaling of proton pencil beams. Physics in Medicine and Biology,
48 (7) (2003) 861-874.
[16] Szymanowski H, Oelfke U: Two-dimensional pencil beam scaling: an improved proton dose algorithm for heterogeneous media. Physics in Medicine and Biology, 47 (2002) 3313-3330.
[17] Oelfke U, Bortfeld T: Optimization of physical dose distributions with hadron beams: Comparing photon IMRT with IMPT.
Technology in Cancer Research & Treatment, 2 (2003) 401-412.
[18] Wilkens JJ, Oelfke U: Analytical linear energy transfer calculations for proton therapy. Medical Physics, 30 (2003) 806-815.
[19] Wilkens JJ, Oelfke U: RBW in der inversen Bestrahlungsplanung: ein neuer Optimierungsansatz für die Protonentherapie.
In: Medizinische Physik 2003. Hrsg.: W. Semmler, L. Schad.
Heidelberg: DGMP, (2003) 236-237.
[20] Olofsson L*, Xiangkui M*, Nill S, Oelfke U, Zackrisson B*,
Karlsson M*, Optimized energy modulated radiotherapy with
electrons, Radiotherapy and Oncology, Vol. 64, pp. S52, 2002
[1] Münter MW; Thilmann C; Hof H*; Didinger B*; Rhein B; Nill S;
Schlegel W; Wannenmacher M*; Debus J: Stereotactic intensity
modulated radiation therapy and inverse treatment planning for
tumors of the head and neck region: clinical implementation of
the step and shoot approach and first clinical results. Radiotherapy and Oncology, 66(3) (2003) 313-321.
[21] Unkelbach, J, Oelfke, U: Inclusion of stochastic organ movements in IMRT treatment planning. Radiotherapy and Oncology,
68 (Sup1) (2003) S101.
[2] Münter MW; Nill S; Thilmann C; Hof H*; Höss A; Häring P;
Partridge M; Manegold C*; Wannenmacher M*; Debus J: Stereotactic intensity-modulated radiation therapy (IMRT) and inverse
treatment planning for advanced pleural mesothelioma. Feasibility and initial results. Strahlentherapie und Onkologie, 179(8)
(2003) 535-541.
[23] Kyas I, Partridge M, Hesse BM, Oelfke U, Schlegel W,
Validierung eines Verfahrens zur Korrektur der Streustrahlung bei
der IMRT-Verifikation mit Hilfe eines Portal Imaging Systems,
Tagungsband des DGMP/ÖGMP, SGSMP Meetings, ISBN 3925218-75-0, Gmunden, August 20
[3] Thieke C, Multicriteria Optimization in Inverse Radiationtherapy Planning, Dissertation, Universität Heidelberg, Fakultät
für Physik und Astronomie, 2003
Biologische Modelle (E0402)
[4] Janisch E, Optimization of IMRT: Feasibility studies with enhanced objective functions, Diplomarbeit, Universität Heidelberg,
Fakultät für Physik und Astronomie, 2003
[5] Oelfke U, Siemer N, Nill S, Inverse treatment planning based
on EUD: analyzing first order biological effects, Medical Physics
29 (6), pp. 1284 , 2002
[6] Siemer N, Inverse Planning with EUD based Objective Functions, Diplarbeit, Universität Heidelberg, Fakultät für Physik und
Astronomie, 2002
[7] Thieke C, Bortfeld T*, Niemierko A*, Nill S: From physical
dose constraints to equivalent uniform dose constraints in inverse radiotherapy planning. Medical Physics, 30(9) (2003)
2332-2339.
[8] Scholz C, Schulze C, Oelfke U, Bortfeld T*: Development and
clinical application of a fast superposition algorithm in radiation
therapy. Radiotherapy and Oncology, 69(1) (2003) 79-90.
[9] Scholz C, Nill S, Oelfke U: Comparison of IMRT optimization
based on a pencil beam and a superposition algorithm. Medical
Physics, 30(7) (2003) 1909-1913.
[10] Thieke C, Nill S., Oelfke U and Bortfeld T*, Acceleration of
IMRT dose calculation by importance sampling of the calculation
matrices’, Medical Physics, Vol. 29 (5), pp. 676 - 681, 2002
[11] Tücking, T, Nill, S, Thilmann, C*, Oelfke, U : Application of a
new exterrnal MMLC for high precision IMRT - a feasibility study.
Radiotherapy and Oncology, 68 (Sup1) (2003) S75.
[12] Tücking T, Nill S, Oelfke U: IMRT-application with an add-on
MMLC, Journal of Applied Clinical Medical Physics, 4(4) (2003)
282-286.
[13] Oelfke U, The potential of charged particle beams in conformal radiation therapy, Shaker Verlag, ISBN3-8265-9834-2, 125
S., 2002
[22] Partridge M, Ebert M, Hesse BM, IMRT verification by three
dimensional dose reconstruction from portal beam measurements, Medical Physcis 29(8), pp. 1847 -1858, 2002
S. Levegrün, M. Becker, K. Borkenstein, I. Kyas
In Zusammenarbeit mit: Dr. A. Jackson, Dr. C.C. Ling, Department of Medical Physics, Memorial Sloan-Kettering Cancer Center, New York, USA; Dr. M.J. Zelefsky, Dr. Z. Fuks, Dr. S. Leibel,
Department of Radiation Oncology, Memorial Sloan-Kettering
Cancer Center, New York, USA; Prof. Dr. Dr. Jürgen Debus, Dr.
H. Hof, Dr. P. Peschke, Klinische Kooperationseinheit Strahlentherapeutische Onkologie, E050, DKFZ; PD Dr. M. Essig, Abteilung Radiologie, E010, DKFZ
Drittmittel: DFG: 1 Stelle (BAT IIa)
Mit der zunehmenden klinischen Einführung konformaler
Bestrahlungstechniken, wie der intensitätsmodulierten
Radiotherapie (IMRT), ist die Strahlentherapie in der Lage,
hochpräzise Dosisverteilungen zu erzeugen. Diese Techniken haben zum Ziel, den Tumor mit einer möglichst hohen
Dosis zu bestrahlen und gleichzeitig das umliegende Normalgewebe weitgehend zu schonen. Es ist Aufgabe des
Strahlentherapeuten, für jeden Patienten diejenige Dosisverteilungen zu finden, die einen sinnvollen Kompromiss
zwischen hoher Tumorkontrollwahrscheinlichkeit (TCP) und
niedriger Komplikationswahrscheinlichkeit (NTCP) darstellt.
Diese Entscheidung wird bisher aufgrund klinischer Erfahrungen mit Toleranzdosen und Volumeneffekten getroffen. Die biologische Modellierung versucht, diese Erfahrungswerte durch eine modellhafte Beschreibung der Reaktion
von Tumoren und Normalgewebe auf Bestrahlung zu ergänzen. Die Quantifizierung des biologischen Effektes einer gewählten physikalischen Dosisverteilung soll für jeden
einzelnen Patienten eine Vorhersage über die erreichbare
Tumorkontrolle und die induzierten Nebenwirkungen erlauben. Computergestützte Simulationen, die auf klinisch
validierten biologischen Modellen aufbauen, sollen den
Therapeuten in der Bestrahlungsplanung unterstützen.
DKFZ 2004: Wissenschaftlicher Ergebnisbericht 2002 - 2003
Forschungsschwerpunkt E
Innovative Krebsdiagnostik und -therapie
Das Ziel der Arbeitsgruppe “Biologische Modelle” ist es, die
Antwort von Tumoren und Normalgeweben auf Strahlentherapie zu modellieren und Volumeneffekte und Dosis/
Volumen-Wirkungskurven zu quantifizieren. Eine weitere
wichtige Aufgabe besteht darin, durch Vergleiche von
Modellvorhersagen mit klinischen und experimentellen Daten die Bedeutung biologischer Modelle für die Bestrahlungsplanung zu untersuchen. Um diesen Zielen näher zu
kommen, werden sowohl statistische und analytische Modelle als auch Modelle auf zellulärer Ebene untersucht.
In Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe “Radiobiologie”
der “Klinischen Kooperationseinheit Strahlentherapeutische
Onkologie” wurde ein seit 1998 erarbeitetes radiobiologisches Modell verfeinert, das Tumorwachstum, Tumorangiogenese und Tumorantwort auf Strahlentherapie auf
zellulärer Ebene beschreibt [1-4]. Dieser Ansatz, in dem
jede einzelne Tumorzelle und jede einzelne Kapillarzelle
berücksichtigt werden, erlaubt eine realistischere Modellierung des Tumorverhaltens als bisherige Modelle. Das Tumorwachstum wird durch die Dauer der Zellzyklusphasen,
die Wachstumsfraktion, das Apoptosevermögen, die
Blutgefäßdichte des umliegenden Normalgewebes und den
Grad der Tumorangiogenese bestimmt. Die Tumorantwort
auf Strahlentherapie hängt ab von den Strahlenempfindlichkeiten des linear-quadratischen Modells und dem Reparaturvermögen des Tumors. Computersimulationen werden auf einem 3D kubischen Gitter durchgeführt, ausgehend von einer einzelnen Tumorzelle. Zufällige Prozesse,
wie Zellverschiebungen nach Zellteilung oder DNA-Schäden nach Bestrahlung, werden durch Monte-Carlo Methoden simuliert. Das Modell erlaubt die Simulation wichtiger
zeitabhängiger Effekte in der Strahlentherapie, wie der
Repopulation, der Reparatur und Reoxigenierung.
Mit Hilfe dieses Modells wurden Computersimulationen
durchgeführt, die eine quantitative Abschätzung der
Tumorantwort auf Strahlentherapie liefern. Drei Aspekte,
die in der Strahlentherapie von besonderer Bedeutung sind,
bildeten im Berichtszeitraum den Schwerpunkt der Untersuchungen. Eine Reihe klinischer Studien haben in den
letzen Jahren die Bedeutung der Sauerstoffverteilung im
Tumor für den Erfolg der Strahlentherapie verdeutlicht.
Um zu klären, unter welchen Bedingungen Tumorangiogenese und die daraus resultierende höhere Sauerstoffkonzentration die Tumorkontrolle erschwert, wurden Strahlentherapien für Tumoren mit unterschiedlichem Grad an
Tumorangiogenese simuliert (siehe Abb. 1-3). Um einen
sinnvollen Kompromiss zwischen Tumorkontrolle und
Normalgewebskomplikationen zu erhalten, wird in der Strahlentherapie die Gesamtdosis meist fraktioniert über einen
Zeitraum von mehreren Wochen appliziert. Die Simulation
unterschiedlicher Fraktionierungsschemata sollte klären,
welche Tumoren überhaupt von neueren (aufwändigeren)
beschleunigten Fraktionierungen profitieren (vgl. Tab. 1).
Ein großes Problem stellt in der konformalen Strahlentheα = 0.35 Gy-1
α/β = 10 Gy
konventionelle
Fraktionierung
Dosis D [Gy]
akzellerierte
Fraktionierung
Dosis D [Gy]
Tpot = 2d
82.9 ± 6.1
70.8 ± 3.5
Tpot = 5d
72.2 ± 5.0
69.7 ± 5.8
Abteilung E040
Medizinische Physik in der Strahlentherapie
rapie die Bewegung von Tumoren sowohl während einer
Fraktion als auch zwischen mehreren Fraktionen dar. In
mehreren Studien wurde der Zusammenhang zwischen
Tumorbewegung und der für die Tumorkontrolle benötigten Gesamtstrahlendosis abgeschätzt. Für die Tumorbewegung wurden dabei Werte angenommen, wie sie für
Prostatatumoren typisch sind. In Zusammenarbeit mit der
Arbeitsgruppe „Radiobiologie“ wurden Simulationsergebnisse von ungestörtem Tumorwachstum und von unterschiedlich fraktionierten Bestrahlungen mit experimentell
beobachteten Daten von Copenhagenratten mit Dunning
R3327 Prostatatumoren verglichen.
Abb 1: Schnitte durch einen Tumor mit 8 Mio. Zellen. Die Simulation von Tumorproliferation erfolgte mit einer Zellzykluszeit TC=5d,
einer Wachstumsfraktion von 100%, ohne Apoptose und ohne
Angiogenese. Es gibt nekrotische Zentren im Tumorinneren
(schwarz). Der Anteil oxischer Zellen (blau) ist 56%. Ca. 16%
der Tumorzellen sind hypoxisch (grün). Kapillarzellen (rot) wurden
vom Tumor verdrängt.
299
Abb 2: Schnitte durch einen Tumor mit 8 Mio. Zellen, der mit denselben zellkinetischen Parametern simuliert wurde, wie der Tumor
in Abb. 1, aber mit Angiogenese. Es gibt kaum Nekrose, weniger
hypoxische Areale, und die oxische Fraktion beträgt 84%.
Angiogenese wurde von hypoxischen Arealen der Größe 50 oder
mehr hypoxischen Zellen induziert.
Tab. 1: Abhängigkeit der zur Tumorkontrolle benötigten Gesamtstrahlendosis in Abhängigkeit von Tumorzellkinetik und Fraktionierungsschema. Schnell-proliferierende Tumoren, wie z.B. KopfHals Tumoren, profitieren mehr von einer akzellerierten Therapie
als langsam proliferierende.
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Forschungsschwerpunkt E
Innovative Krebsdiagnostik und -therapie
Abteilung E040
Medizinische Physik in der Strahlentherapie
in drei Stufen differenziert (gering, mittelgroß, groß). Eine
erste Untersuchung der Daten [7] konnte eine Korrelation der Normalgewebeveränderungen mit verschiedenen
Charakteristika der dreidimensionalen physikalischen Dosisverteilung im Gehirn aufzeigen, welche für jeden Patienten individuell berechnet wurden. Dabei zeigte sich, daß
das Risiko für das Auftreten von Normalgewebeveränderungen gleich gut durch verschiedene einzelne Parameter
beschrieben wird, die sowohl von der applizierten Dosis als
auch vom bestrahlten Gehirnvolumen abhängen. Dazu
gehören die mittlere Dosis in einem Volumen von 20 cm3
und das absolute Hirnvolumen, das eine Dosis von mindestens 12 Gy erhält. In einer zweiten Untersuchung [8]
wurden Dosis/Volumen-Wirkungsbeziehungen für die verschiedenen Endpunkte aufgestellt, die die aktuarischen
Risiken für das Auftreten der betrachteten Normalgewebeveränderungen innerhalb von 2,5 Jahren nach Strahlenchirurgie beschreiben. Diese Wirkungsbeziehungen erlauben eine quantitative Abschätzung des Risikos für strahleninduzierte Normalgewebeveränderungen im Gehirn nach
stereotaktischer Einzeit-Hochdosisbestrahlung von AVM
Patienten. Ein tieferes Verständnis der Ursache dieser
Normalgewebeveränderungen und ihrer Korrelation mit der
angestrebten Obliteration ist Gegenstand einer derzeit laufenden Untersuchung. Die genaue Kenntnis der Dosis/Volumen-Wirkungsbeziehungen kann zukünftig zur Optimierung der Strahlentherapie in AVM Patienten beitragen.
300
Publikationen: (* = externer Koautor)
Abb 3: Tumorantwort auf eine konventionell fraktionierte Strahlentherapie mit 2 Gy pro Tag für Tumoren mit gleicher Strahlenempfindlichkeit aber unterschiedlicher Zellkinetik und unterschiedlicher Fähigkeit Angiogenese zu stimulieren. Abb 3 a) zeigt Tumoren mit (gepunktet) und ohne Angiogenese für Tpot = 2 d. Abb 3
b) zeigt die gleichen Simulationen für Tumoren mit Tpot = 2 d.
Ein Ende 2003 begonnenes Projekt widmet sich der Modellierung von TCP und NTCP bei Lungentumoren, mit über
100000 Neuerkrankungen pro Jahr der häufigste Krebs in
Deutschland. In diesem Projekt geht es darum, bestehende radiobiologische Modelle zu validieren und sie mit Hilfe
von Parametern, die sich aus der biologischen Bildgebung
bestimmen lassen, zu ergänzen. Ein weiteres Ziel dieses
Projekts ist es, anhand statistischer Methoden, radiobiologische und physikalische Parameter zu identifizieren, die
eine Vorhersage über die resultierende TCP und NTCP erlauben.
In Zusammenarbeit mit dem Memorial Sloan-Kettering
Cancer Center (MSKCC), New York, wurde die lokale Tumorkontrolle bei Patienten mit Prostatatumoren ausgewertet,
die dort im Rahmen einer Dosis-Eskalationsstudie behandelt wurden. Dieses Projekt konnte während des Berichtszeitraumes zum Abschluß gebracht werden [5, 6].
Das Ziel eines weiteren Projektes der Arbeitsgruppe bestand in der Untersuchung später Strahlenfolgen im Gehirn nach stereotaktischer Einzeit-Hochdosisbestrahlung von
Patienten mit zerebralen arteriovenösen Malformationen
(AVM). In einer retrospektiven Untersuchung wurden für
73 AVM Patienten strahleninduzierte Normalgewebeveränderungen im Gehirn, d.h. Ödeme und Störungen der Blut-Hirn-Schranke, ausgewertet, welche anhand
von MR Bildgebung während der Nachsorge erfassbar sind.
Je nach Ausdehnung der Normalgewebeveränderung wurden die Endpunkte Ödem und Schrankenstörung weiter
[1] Borkenstein K, Levegrün S: Computer simulation of the response to radiotherapy of angiogenic tumors. Radiother Oncol
(2003); 67 (Suppl 1): 26.
[2] Borkenstein K, Levegrün S, Peschke P: Computersimulation
von Tumorantwort auf Strahlentherapie: Auswirkung unterschiedlicher Fraktionierungsschemata. Strahlenther Onkol
(2003); 179 (Abstractband zum DEGRO Kongress): 79.
[3] Becker M, Borkenstein K, Levegrün S: Computersimulation
von Tumorantwort auf Strahlentherapie: Auswirkung von Dosisinhomogenitäten. Strahlenther Onkol (2003) 179 (Abstractband
zum DEGRO Kongress): 79.
[4] Borkenstein K, Levegrün S, Peschke P: Biological Modeling
and Computer simulations of tumor growth and tumor response
to radiotherapy. Rad Res (2004); 162 (1): 71-83.
[5] Levegrün S, Jackson A*, Zelefsky MJ*, Venkatraman ES*,
Skwarchuk MW*, Schlegel W, Fuks Z*, Leibel SA*, Ling CC*: Risk
Group Dependence of Dose-Response for Biopsy Outcome after
Three-Dimensional Conformal Radiation Therapy of Prostate
Cancer. Radiother Oncol (2002); 63: 11–26.
[6] Levegrün S: Modeling Tumor Control after Three-Dimensional
Conformal Radiotherapy (3D-CRT) of Prostate Cancer. Radiother
Oncol (2003); 68 (Suppl. 1): S 61.
[7] Levegrün S, Hof H, Essig M, Schlegel W, Debus J: RadiationInduced Changes of Brain Tissue after Radiosurgery in Patients
with Arteriovenous Malformations: Correlation with Dose-Distribution Parameters. Int J Radiat Oncol Biol Phys, (2004); 59 (3):
796-808.
[8] Levegrün S, Hof H, Essig M, Schlegel W, Debus J: RadiationInduced Brain Tissue Changes after Radiosurgery (RS) of Patients with Cerebral Arteriovenous Malformations (AVM): Correlation with Dose Distribution Variables and Dose Response. Int J
Radiat Oncol Biol Phys (2003); 57(2) (Suppl): 330–331.
DKFZ 2004: Wissenschaftlicher Ergebnisbericht 2002 - 2003
Forschungsschwerpunkt E
Innovative Krebsdiagnostik und -therapie
Therapieplanung - Entwicklung (E0403)
R. Bendl, C. Frühling, S. Handlos, G. Lechsel,
U. Malsch, A. Littmann, A. Lüttgau, T. Neff, A. Rau
In Zusammenarbeit mit: Dr. S. Barthold-Beß, PD Dr. J. Debus, Dr.
B. Didinger, Dr. J. Doll, Prof. Dr. G. Hartmann, A. Höss, PD Dr. O.
Jäkel, PD Dr. U. Oelfke, Dr. C. Thilmann, DKFZ; Prof. Dr. V.
Sturm, Dr. K. Luyken, Dr. H. Treuer, Klinik für stereotaktische und
funktionelle Neurochirurgie, Universität Köln; Prof. Dr. J. F. Bille,
Institut für Angewandte Physik, Universität Heidelberg; Dr. H.
Fuchs, Dr. H. Kluge, Dr. C. Rethfeld, Hahn-Meitner-Institut, Berlin ; Dr. Nausner, Dr. Bechrakis, Universitätsklinikum BenjaminFranklin, Berlin; K. Welte, H. Rath, Stryker-Leibinger, Freiburg;
Dr. M.A. Keller-Reichenbecher, Dr. M. Götz, Dr. S. Fischer, MRC
Systems, Heidelberg; PD Dr. K.H. Küfer, Dr. R Rösch, ITWM
Kaiserslautern
Die Aufgabe der Arbeitsgruppe „Therapieplanung - Entwicklung“ ist die Entwicklung und Implementierung von
computergestützten Werkzeugen, die die Planung, Simulation und Evaluation minimal- und nicht-invasiver Behandungstechniken in der Onkologie verbessern können. Ärzte
und Therapeuten sollen damit in die Lage versetzt werden, ihre Behandlungsstrategie prä-therapeutisch zu testen und zu optimieren. Es besteht kein Zweifel, dass eine
prä-therapeutische Optimierung das Behandlungsergebnis
verbessern kann: bessere lokale Tumorkontrolle, geringere Nebenwirkungen, eine Verringerung der Operationszeiten bei chirurgischen Eingriffen und schließlich eine
schnellere Wiederherstellung des Patienten führen auch
zu einer Reduktion der Behandlungskosten. Aufgrund der
engen Kooperation von Ärzten, Physikern und Informatikern ist unser Forschungsschwerpunkt eine ideale Umgebung um computergestützte Planungs- und Simulationsmethoden mit klinischer Relevanz zu entwickeln. Dabei sollen
die Entwicklungen so weit geführt werden, dass ihre Vorteile direkt in einer verbesserten Patientenbehandlung demonstriert werden können.
Die Hauptaktivitäten der Arbeitsgruppe konzentrierten sich
auf Methoden für die dreidimensionale tumorkonforme
Strahlentherapieplanung. Da viele Methoden auch sinnvoll
zur Planung und Simulation anderer Behandlungskonzepte
eingesetzt werden könnten, versuchen wir die entwickelten Konzepte zu verallgemeinern, so dass sie auch für andere therapeutische Ansätze nutzbar werden.
Die derzeitigen Arbeitsgebiete umfassen alle Schritte der
Therapieplanung, die durch computergestützte Werkzeuge verbessert werden können. Von besonderer Bedeutung
sind die Bildverarbeitung und die Registrierung multi-modaler Bildsequenzen, Segmentierung, dreidimensionale Modellierung, und visuelle Präsentation anatomischer Strukturen, visuelle Simulation der Behandlungskonzepte, Präsentierung der
Ergebnisse numerischer
Simulationsergebnisse und
Entwicklung geeigneter
Evaluierungswerkzeuge,
wissensbasierte Systeme zur
Unterstützung der Therapieplanung sowie Werkzeuge
zum Therapiemonitoring. Die
bisherigen Aktivitäten gliedern sich in sechs Projekte:
Abteilung E040
Medizinische Physik in der Strahlentherapie
1. Registrierung multi-modaler Bildsequenzen, Segmentierung und Repräsentation anatomischer Strukturen
2. VIRTUOS - VIRTUal RadiOtherapy Simulator
3. TAPIR - Wissensbasierte Strahlentherapieplanung
4. IRIS – Internet based Radiotherapy Information System
5. OCTOPUS - Planungssystem für die Protonentherapie
von Augentumoren
6. STELA - STereotaktische LAser-Neurochirurgie
Die künftigen Vorhaben lassen sich in zwei Teilziele unterteilen. Das Erste ist die kontinuierliche Weiterentwicklung
der existierenden Planungsprogramme für die Strahlentherapie zur Unterstützung der klinischen Kooperationseinheit
„Strahlentherapeutische Onkologie“ (PD Dr. Debus, E050),
um es dieser Gruppe zu ermöglichen, ihre wissenschaftliche Arbeit fortzusetzen und auszudehnen [1]. Dazu wird
ein zuverlässiges Planungssystem benötigt, das es erlaubt,
neue Funktionalitäten bei Bedarf schnell zu integrieren.
Neben den Aktivitäten 1, 2 und 3 gehört dazu auch die
Weiterentwicklung des Systems für die Anwendung innerhalb des Schwerionen-Therapieprojekts (Dr. Jäkel, GSI/
DA-Projekt E0409).
Aktivität 1 gewinnt dabei zunehmend an Bedeutung, da
hierbei Methoden entwickelt werden, die es erlauben sollen, zeitliche Lage-, Größen- und Formveränderungen von
Zielvolumen und Risikoorganen adäquat zu berücksichtigen.
Solche Veränderungen müssen bisher durch ausreichend
große Sicherheitsbereiche kompensiert werden. Mit dem
Konzept der adaptiven Strahlentherapie will man in Zukunft versuchen, diese Veränderungen möglichst vor jeder Dosisfraktion mit Hilfe von Verifikationsaufnahmen zu
detektieren und durch eine Modifikation der Behandlungsparameter zu kompensieren. Eine wichtige Voraussetzung
sind schnelle Segmentierungsalgorithmen und elastische
Registrierungsverfahren, die es erlauben, Veränderungen
der individuellen Patientenanatomie automatisiert zu erkennen [2, 3].
In Aktivität 3 wurde ein neuer Ansatz entwickelt, der nicht
nur die Generierung von dreidimensionalen Behandlungsplänen erheblich beschleunigen kann, sondern es auch
erlaubt, Behandlungsstrategien systematisch zu sammeln
und auszutauschen. Gemeinsam mit Aktivität 4 wurden
Methoden entwickelt, die eine einfachere Verbreitung
anerkannter Behandlungskonzepte über das Internet erAbb.:
IRIS – Internet-based Radiotherapy Information System
DKFZ 2004: Wissenschaftlicher Ergebnisbericht 2002 - 2003
301
Forschungsschwerpunkt E
Innovative Krebsdiagnostik und -therapie
möglichen sollen. Dazu gehört auch die Integration von
Video-Conferencing und Consulting Möglichkeiten [5].
Das zweite Teilziel der AG E0403 ist die Erweiterung und
Anpassung der entwickelten Planungsstrategien für andere minimal-invasive Therapieformen. In Aktivität 5 haben
wir zusammen mit Dr. H. Fuchs und Dr. H. Kluge, HahnMeitner-Institut Berlin, ein Planungssystem für die Therapie von Augentumoren mit Protonen entwickelt [4]. Das
System wird derzeit bei den Partnern in Berlin unter klinischen Bedingungen getestet. Ein weiterer Ansatz wurde
mit Prof. V. Sturm, Klinik für stereotaktische Neurochirurgie, Köln und MRC Systems, Heidelberg in Aktivität 6
„Stereotaktische Laserneurochirurgie“ untersucht. Mit einem Ultra-Kurzpulslaser sollen tiefliegende Hirntumore ohne
thermische Schädigung des umgebenden gesunden Gehirngewebes entfernt werden. In dieser Kooperation war das
DKFZ verantwortlich für die Entwicklung eines geeigneten
Planungssystems. Auf Grund auslaufender Drittmittel und
chronischem Mangel an qualifiziertem Personal wurden beide
Aktivitäten zu Gunsten der anderen Projekte vorerst eingestellt.
Publikationen (* = externer Koautor)
302
[1] Thilmann C, Zabel A, Kuhn S, Bendl R, Rhein B,
*Wannenmacher M, Debus J (2002) Invers optimierte intensitätsmodulierte Strahlenbehandlung bei einer Patientin mit rechtsseitigem Mammacarcinom und Trichterbrust. Strahlenther Onkol,
178 (11): 637-43
[2] Littmann C (2002) Implementierung eines Verfahrens zur
elastischen Anpassung von segmentierten Planungsvolumina (Tumor, Risikoorgane) an CT-Verifikationsaufnahmen im Rahmen
fraktionierter Strahlentherapie, Diplomarbeit Med. Informatik,
Universität Heidelberg
[3] Lechsel G (2003) Semi-automatische Segmentierung von
Risikoorganen mit Hilfe von aktiven Konturmodellen für die
Therapieplanung, Diplomarbeit Physik, Universität Heidelberg
[4] B. Dobler, R. Bendl: Precise Modelling of the eye for proton
therapy of intra-ocular tumours. Phys. Med. Biol. 47 (2002):
593-613
[5] A. Luettgau, R. Bendl: Technical Aspects of Internet Based
Knowledge Presentation in Radiotherapy. Med. Inform. Vol. 26,
No. 4 (2001): 265-281
Therapieplanung - Anwendung (E0404)
A. Höss
In Zusammenarbeit mit: PD Dr. U. Oelfke, Dr. S. Nill (E0401), Dr.
R. Bendl (E0403) , G. Echner (E0405), Prof. Dr. G. Hartmann
(E0408), PD Dr. O. Jäkel, PD Dr. C. Karger (E0409), Abt. Medizinische Physik in der Strahlentherapie, DKFZ; Prof. Dr. Dr. J.
Debus et al., Klinische Kooperationseinheit Strahlentherapie
(E050), DKFZ; B. Rhein, P. Häring, J. Pruisken, Strahlenschutz
und Dosimetrie (W060), DKFZ; PD Dr. S. Delorme, Abt. Radiologie (E010), DKFZ; Prof. Dr. L. Schad, Abt. Medizinische Physik in
der Diagnostik (E020), DKFZ; Prof. Dr. N. Ayache, INRIA, Sophia
Antipolis, Frankreich; Prof. Dr. H. Blattmann, Dr. A. Lomax, Paul
Scherrer Institut, Villigen, Schweiz; Dr. D.T.L. Jones, E. De Kock,
iThemba LABS, Faure, Südafrika; Prof. Dr. G. Kraft, GSI, Darmstadt; Prof. Dr. G. Nemeth, Dr. O. Esik, National Institute of Oncology, Budapest, Ungarn; Dr. S. Scheib, S. Gianolini, Klinik Im
Park, Zürich, Schweiz; Prof. Dr. R. Schmidt, Dr. T. Frenzel, Abt.
Strahlentherapie, Universitäts-Krankenhaus Eppendorf, Hamburg; Dr. U. Schneider, Klinik für Radio-Onkologie und Nuklearmedizin, Zürich, Schweiz; Siemens AG, MED OCS Heidelberg;
Prof. V. Smith, Dr. A. Pirzkall, Dept. of Radiation Oncology, UCSF,
USA; Stryker Leibinger GmbH, Freiburg; Prof. Dr. V. Sturm, Klinik
für Neurochirurgie der Universität Köln; Prof. Dr. M. Wannenmacher, Dr. D. Oetzel, Radiologische Universitätsklinik, Heidelberg; Prof. Dr. S. Webb, Dr. J. Bedford, The Institute of Cancer
Research, Sutton, England, UK
Abteilung E040
Medizinische Physik in der Strahlentherapie
Die Arbeitsgruppe befasst sich mit dem Betrieb, der Anwenderunterstützung und der Qualitätssicherung der in der
Abteilung Medizinische Physik in der Strahlentherapie (E040)
entwickelten Softwarepakete für die dreidimensionale
Strahlentherapieplanung. Diese Software - das konventionelle 3D Planungssystem VOXELPLAN/VIRTUOS und das
von Siemens MED OCS Heidelberg vertriebene IMRT PlugIn KonRad - dient sowohl als modulare Forschungs- und
Entwicklungsumgebung für die Mitarbeiter der Abteilung
und deren Kooperationspartner als auch als vollwertiges,
von der Klinischen Kooperationseinheit Strahlentherapie
(E050) im Rahmen von klinischen Studien [1-2,4-7] am
Patienten eingesetztes Therapieplanungssystem. Die Arbeitsgruppe konzentriert sich auf die Systembetreuung und
Qualitätssicherung der Installationen, die sich im klinischen
Einsatz befinden, um einerseits den gesetzlichen Anforderungen an Betriebssicherheit und Ergebnisgenauigkeit gerecht zu werden und andererseits die aus dem klinischen
Einsatz gewonnenen Erkenntnisse in die Weiterentwicklung
der Software einfließen zu lassen. Eine weitere wesentliche Aufgabe der Arbeitsgruppe besteht in der Verifikation
und Validierung von neu entstandenen Software-Modulen
bis hin zu deren Freigabe für die klinische Prüfung sowie in
der Durchführung und Dokumentation von sicherheits- und
messtechnischen Kontrollen (s.u.) im Sinne einer regelmäßigen Konstanzprüfung aller im klinischen Einsatz befindlichen Software- und Hardware-Komponenten inklusive der
für die Therapieplanung herangezogenen bildgebenden Modalitäten [3].
Im Berichtszeitraum wurde - in enger Zusammenarbeit mit
den Arbeitsgruppen Therapieplanung - Entwicklung
(E0403), Physikalische Modelle (E0401) und Strahlenschutz
und Dosimetrie (W060) - eine PC-basierte LINUX Version
von VOXELPLAN/VIRTUOS getestet und für die klinische
Prüfung freigegeben. Diese Version enthält eine Vielzahl
neuer Funktionen, insbesondere ein neues Modul für den
DICOM-Import von CT- und MR-Daten, wodurch die
Bestrahlungsplanung im Ablauf weiter vereinfacht und beschleunigt wird, was die Implementierung und Evaluation
neuer Bestrahlungstechniken erleichtert. Aufgrund des
erheblichen Mehraufwandes, der durch die Einhaltung des
MPG (s.u.) sowohl bei ständigem Betrieb eines nichtzertifizierten Bestrahlungsplanungssystems wie VOXELPLAN/
VIRTUOS als auch bei der Inbetriebnahme neu entwickelter Software-Module oder -Versionen entsteht, wurden
die Bemühungen verstärkt, Routineaufgaben an CEzertifizierte Systeme zu verlagern. Die für die Radiochirurgie
im Kopf-/Halsbereich betriebene UNIX Version des kommerziellen Bestrahlungsplanungssystems STP 4 der Stryker
Leibinger GmbH wurde durch eine leistungsfähigere PCbasierte Windows-NT Version ersetzt. Die vor Inbetriebnahme erforderliche Funktionsprüfung und (nichtdosimetrische) Abnahme dieses Systems wurde von der
Arbeitsgruppe ebenso übernommen wie alle mit dem Betrieb eines solchen Systems verbundenen Qualitätssicherungsaufgaben und Dokumentationsverpflichtungen.
Seit Inkrafttreten des Medizinproduktegesetzes (MPG) das auch auf Software und Software-Komponenten anzuwenden ist - hat sich die Arbeitsgruppe mit den daraus
resultierenden Konsequenzen für Herstellung und Betrieb
von Medizinprodukten durch die Abteilung Medizinische
Physik in der Strahlentherapie und deren Anwendung durch
die Klinische Kooperationseinheit Strahlentherapie beschäftigt. Da sämtliche klinisch relevanten In-Haus-Herstellungen - sowohl am Patienten angewandte Medizinprodukte
als auch zu Prüfzwecken angefertigte Messphantome - den
DKFZ 2004: Wissenschaftlicher Ergebnisbericht 2002 - 2003
Forschungsschwerpunkt E
Innovative Krebsdiagnostik und -therapie
Aufsichtsbehörden vor Inbetriebnahme gemeldet werden
müssen, erfüllt die Arbeitsgruppe kontinuierlich die mit einer solchen Anzeige und dem darauffolgenden Einsatz verbundenen Auflagen bzgl. der Prüfung und Überwachung
dieser Medizinprodukte (insbes. Dokumentationsverpflichtungen) sowie alle Verpflichtungen, die sich aus
Änderungen des MPG sowie durch den Erlass und die Änderung von Rechtsverordnungen ergeben.
Im Berichtszeitraum wurde - in enger Zusammenarbeit mit
der Arbeitsgruppe Hardware-Entwicklung (E0405) - die
Medizinprodukte-Betreiberverordnung (MPBetreibV) umgesetzt, die sowohl für In-Haus-Herstellungen als auch für
käuflich erworbene, CE-zertifizierte Medizinprodukte gilt und
u.a. ein Bestandsverzeichnis der Medizinprodukte, das
Vorhandensein von Gebrauchsanweisungen, die Einweisung
des Bedienpersonals, die Führung von Medizinproduktebüchern und die Durchführung und/oder Überwachung
von sicherheits- und messtechnischen Kontrollen sowie von
Instandhaltungsmaßnahmen fordert. Das für die Abteilung
Medizinische Physik in der Strahlentherapie erstellte
Bestandsverzeichnis umfasst z.Zt. knapp 300 am DKFZ, der
Radiologischen Universitätsklinik Heidelberg und der GSI
Darmstadt in der klinischen Anwendung befindliche Medizinprodukte. Auf Grundlage der erhobenen Daten überwacht,
koordiniert und dokumentiert die Arbeitsgruppe sämtliche
sicherheits- und messtechnischen Kontrollen sowie alle Wartungs- und Instandhaltungsmaßnahmen, wodurch insbesondere ein sicherer und effizienter Einsatz der In-HausHerstellungen gewährleistet werden soll. Die Aktivitäten
der Arbeitsgruppe auf dem Gebiet der Umsetzung von MPG
und MPBetreibV in der patientennahen Forschung und
Entwicklung haben Pilotcharakter für das gesamte DKFZ.
Der erarbeitete Prototyp eines tagesaktuellen Bestandsverzeichnisses dient als Spezifikation für eine DKFZ-weite
Medizinprodukte-Datenbank, die Anfang 2004 implementiert und getestet werden soll.
Publikationen (* = externer Koautor):
[1] Herfarth KK, Hof H, Bahner ML, Lohr F, Höss A, van Kaick G,
*Wannenmacher M, Debus J: Assessment of focal liver reaction
by multiphasic CT after stereotactic single-dose radiotherapy of
liver tumors. Int J Radiat Oncol Biol Phys, 57(2) (2003) 444-451.
[2] Hof H, Herfarth KK, Münter M, Höss A, *Motsch J,
*Wannenmacher M, Debus J: Stereotactic single-dose radiotherapy of stage I non-small-cell lung cancer (NSCLC). Int J
Radiat Oncol Biol Phys, 56(2) (2003) 335-241.
[3] Karger CP, Hipp P, Henze M, Echner G, Höss A, Schad L,
Hartmann GH: Stereotactic imaging for radiotherapy: accuracy of
CT, MRI, PET and SPECT. Phys Med Biol, 48(2) (2003) 211-221.
[4] Milker-Zabel S, Zabel A, Thilmann C, Zuna I, Hoess A,
*Wannenmacher M, Debus J: Results of three-dimensional stereotactically-guided radiotherapy in recurrent medulloblastoma. J
Neuro-Oncol, 60 (2002) 227-233.
[5] Münter MW, Nill S, Thilmann C, Hof H, Hoss A, Haering P,
*Partridge M, *Manegold C, *Wannenmacher M, Debus J: Stereotactic intensity-modulated radiation therapy (IMRT) and inverse treatment planning for advanced pleural mesothelioma.
Feasibility and initial results. Strahlenther Onkol, 179(8) (2003)
535-541.
[6] Pirzkall A, Debus J, Haering P, Rhein B, Grosser KH, Höss A,
*Wannenmacher M: Intensity modulated radiotherapy (IMRT) for
recurrent, residual, or untreated skull-base meningiomas: preliminary clinical experience. Int J Radiat Oncol Biol Phys, 55(2)
(2003) 362-372.
[7] Thilmann C, Zabel A, Nill S, Rhein B, Hoess A, Haering P,
Milker-Zabel S, *Harms W, Schlegel W, *Wannenmacher M,
Debus J: Intensity-modulated radiotherapy of the female breast.
Med Dosim, 27 (2002) 79-90.
Abteilung E040
Medizinische Physik in der Strahlentherapie
Hardware Entwicklung (E0405)
G. Echner, C. Lang
Medizintechnik (E0406)
S. Barthold-Beß, S. Halbauer, M. Hub, R. Illés,
W. Korb, T. Liebler, C. Sanner, M. Scherer,
M. Schneberger, T. Weiskat
In Zusammenarbeit mit: Prof. Dr. Dr. J. Debus, Klinische
Kooperationseinheit Radiotherapeutische Onkologie (E050),
DKFZ; Zentrale Einheit Strahlenschutz und Dosimetrie (W060),
DKFZ; Prof. Dr. J. Richter, Department for Medical Physics,
Universität Würzburg; Prof. Dr. V. Sturm, Clinic for Stereotaxy
and Functional Neurosurgery, Universität Köln; Prof. S. Webb,
Institute of Cancer Research/Royal Marsden Hospital, Sutton,
UK; Siemens SMS/OCS, Concord USA und Heidelberg; Stryker
Leibinger GmbH, Freiburg; Nexsys GmbH, Leimen; Cadcon GmbH,
Sandhausen
Die Hauptaufgabe der Forschungsgruppe E0405 ist die Entwicklung und Evaluierung von neuen Vorrichtungen, Geräten oder Modulen für die Stereotaxie und fraktionierte
Strahlentherapie für unterschiedliche Zielvolumina, die Untersuchung und der Test von neuen Hardwarekomponenten für die konforme Strahlentherapie und angrenzende
Forschungsgebiete. Weitere Aufgaben liegen in der Qualitätssicherung der entwickelten Hardwarekomponenten.
Hauptarbeitsgebiet der Forschungsgruppe E0406 ist die
Entwicklung von Methoden und Komponenten zur Verbesserung der Patientenpositionierung sowie zur Bewegungskontrolle während der Behandlung einschließlich die
Entwicklung und Implementierung von spezieller Hardwareund Softwarekomponenten für die Positionsüberwachung
von Patienten vor und während der Therapie einschliesslich
Bildverarbeitungswerkzeugen.
Entwicklung von Komponenten für die Patientenpositionierung
Ein Ziel unserer Tätigkeiten ist die Entwicklung einer Plattform für die Patientenpositionierung - Fast Integrated
Videobased Environment (FIVE) - um diese für die klinische und experimentelle Zwecke bereitzustellen [1,2,3,5].
Die Plattform besteht aus Soft- und Hardwarekomponenten und steht derzeit für verschiedene Anwendungsgebiete zur Verfügung. Das Grundmodul des FIVE basiert auf
einem optischen Trackingsystem, welches zu Mess- und
Navigationszwecken genutzt werden kann. Zu den vorhandenen Modulen für die Bestimmung der Patientenposition wurden in den letzen beiden Jahren ein Differenzbildmodul und ein Modul zur Trennung des Hintergrundes
(Blue Room) neu erstellt.
• Differenzbildmodul für die Positionierung von Mammapatientinnen:
Um die Qualität der Therapie weiter zu erhöhen, wurde
ein Verfahren gesucht, das ohne nennenswerten zusätzlichen Material- und Zeitaufwand eine noch höhere Genauigkeit gewährleistet. Eine Möglichkeit hierzu besteht in der
Analyse von Differenzbildern aus Videoaufnahmen [4].
Dabei ist eine Berücksichtigung der Verschiebbarkeit der
Brust relativ zum Brustkorb erstrebenswert. Das Verfahren
basiert auf Laserprojektionen, die durch einen ausreichend
großen Helligkeitsunterschied gegenüber der Umgebung,
unabhängig von den Beleuchtungsbedingungen, aus den
Videobildern extrahiert werden können. Die Positionen der
Linien in den Kamerabildern lassen durch Vergleich mit den
Referenzbildern erkennen, ob sich die Brust in der gewünschten Position befindet oder nicht, dabei werden die
Linien von der zugehörigen Software online extrahiert.
DKFZ 2004: Wissenschaftlicher Ergebnisbericht 2002 - 2003
303
Forschungsschwerpunkt E
Innovative Krebsdiagnostik und -therapie
Zusätzliche visuelle Information über die Position der Brust
lässt sich nun, bei geeigneter Ausrichtung der Diodenlaserlinien relativ zueinander, ihrem Abstand im Kamerabild entnehmen. Das Verfahren wurde in einem weiteren Schritt
so modifiziert, dass es für das Gating des Linearbeschleunigers genutzt werden kann. Dabei wird jedes Einzelbild für
eine Bewertung der Brustposition herangezogen. Bewertet wird dabei ein Schwellabstand zwischen Referenzbild
und Livebild, befindet sich dieser innerhalb dieses wird die
Position als ok eingeordnet (Abb. 1). Diese Informationen
können genutzt werden, um die Einschaltzeiten des Linac
für die Therapie zu steuern. Mit Hilfe dieses Moduls kann
die Genauigkeit der Dosisapplikation in Hinsicht auf das Zielvolumen verbessert werden.
Abteilung E040
Medizinische Physik in der Strahlentherapie
Im Gegensatz zum MLC wird hierbei der Kollimator über
das zu modulierende Feld bewegt, d.h. man scannt ein
größeres Feld mit einem kleinen Kollimator ab, innerhalb
dessen Öffnungsfenster verschiebbare konische Stäbe
angebracht sind, die eine zusätzliche Ausblendung in kleinen quadratischen Bereichen ermöglichen.
Zur Umsetzung des physikalischen Modells in die Praxis,
wurden dosimetrische Messungen durchgeführt, deren
Ergebnisse zu einer geeigneten Hardwarekonstruktion
herangezogen werden sollen. In einem weiteren Schritt
soll die Implementierung der systemspezifischen Feldmuster
in die inverse Bestrahlungsplanung erfolgen, bevor das fertige Gerät dann letztendlich in der Praxis zum Einsatz
kommt.Zur Herstellung intensitätsmodulierter Felder benötigt das System einen VAC-Kollimator mit einem offenen rechteckigen Strahlenfenster. Das Fenster definiert ein
zweidimensionales Feld aus n Spalten und m Reihen. Im
Falle dieses Projektes wurde eine Feldgröße von 4 Spalten
und 5 Reihen definiert (Abb. 2).
Der VAC-Kollimator besitzt innerhalb des Fensters konische,
stabförmige Blenden, die in der Regel paarweise in jeder
Spalte des Fensters angeordnet sind. Diese Stäbe können
einzeln entlang der Spalten in diskreten Schritten bewegt
werden (s. Abb. 4).
304
Abb. 1: Differenzbild beim Gating
• Blue Room Modul:
Bei der Blue Room Methode verwendet man eine retroreflexierende Oberfläche als Hintergrund und beleuchtet ein
3D Objekt, z.B. Patient mit Infrarotlicht. Mit Hilfe von Tageslichtsperrfiltern werden Kameraufnahmen im Infrarotbereich
gemacht. Mit dieser Methode kann man die beleuchteten
Objekte gut segmentieren, da die Hintergrundpixel weiss
und die Objektpixel schwarz sind. Man erhält so ein 2D
Projektionsbild von 3D Objekten.
Entwicklung eines Stab-Kollimators (VACCollimator)
Ziel des Gemeinschaftsprojektes zwischen dem DKFZ und
dem Institute of Cancer Research (ICR) ist die Entwicklung einer alternativen, im Vergleich zum Multi-Leaf-Collimator (MLC) wesentlich weniger komplexen Technik zur
Erzeugung intensitätsmodulierter Felder für den Einsatz in
der intensitätsmodulierten Strahlentherapie (IMRT). Gerade im Bereich kleiner Feldgrößen erhofft man sich auf Grundlage dieser Technik ein größeres Leistungspotential, als bei
Nutzung des MLC. Das Projekt basiert auf einem physikalischen Modell von Steve Webb (ICR) welches VAC (Variable Aperture Collimator) genannt wurde und gliedert sich
in drei Hauptteile [6]:
Abb. 2: Feldmatrix Schematische Darstellung einer Feldmatrix aus
4 Spalten und 5 Reihen mit 8 Stäben in „Parkposition“ (links) und in
einer der möglichen Anordnungsoptionen (rechts).
Der gesamte Kollimator soll linear-, eventuell auch rotationsbeweglich und zur Strahlenquelle fokussierend gelagert sein, um größere Felder abzuscannen, bzw. um die
Anordnungsoptionen weiter zu erhöhen. Ein solcher Kollimatortyp wurde im Jahr 2001 zum Patent angemeldet.
Erste dosimetrische Messungen (siehe Abb. 3) für unterschiedliche Stabquerschnitte mit einer Auflösung von
5x5mm² bzw. 10x10mm² (bezogen auf das Isozentrum)
haben folgendes ergeben:
Aufgrund großer Abweichungen in der Feldlänge (bis zu
50%) und einer geringen Dosismodulation (maximal 65%)
scheint mit der hochauflösenden VAC-Ausführung von 5mm
im Isozentrum eine sinnvolle Nutzung im Sinne der IMRT
nicht möglich. Aus diesem Grund wird die Entwicklung an
einem VAC-Prototypen auf Grundlage einer 10mm Auflösung im Isozentrum weitergeführt. Das Verfahren wurde
2003 zum Patent angemeldet [6].
• physikalische Dosimetrie
• Hardwareentwicklung und -erprobung
• Implementierung der spezifischen Feldmuster in die inverse Bestrahlungsplanung
DKFZ 2004: Wissenschaftlicher Ergebnisbericht 2002 - 2003
Forschungsschwerpunkt E
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Abb. 5: Mamma Phantom
Da das 1:1-Modell eines Torso für Messungen mit einem
Flachdetektor zu groß war, wurde ein verkleinertes Modell
des Phantoms entwickelt und gebaut, welches außer den
Eigenschaften des ursprünglichen Mamma-Phantoms noch
Knochenstrukturen enthält. Abb. 6 zeigt die Aufnahme
einer Scheibe des Phantoms mit eingebauter Lungen-und
Knochenstruktur.
305
Abb. 3: Aufbau zur dosimetrischen Messung Die Abbildung zeigt
den Messaufbau unter dem Strahlerkopf. Die auf der beweglich
gelagerten Plexiglasplatte montierten Stäbe (SBA) sind nach der
Strahlendivergenz ausgerichtet. Der Aufbau ist so gestaltet,
dass ein SCD=520mm eingehalten wird. Die Filmemulsion liegt auf
der Isozentrumsebene.
Abb. 4: Aufbau Einschubplatte Das Photo zeigt die auf der LinacEinschubplatte befestigte Adapterplatte mit zur Strahlenquelle
fokussierend montierten Stäben.
Abb. 6: Scheibe des verkleinerten Mamma-Phantoms mit Lungenund Knochenstruktur
• Stabphantom
Entwicklung von Phantomen für die
Qualitätssicherung
•
Mamma-Phantom
Zur Verifizierung von Bestrahlungsplänen, speziell im extracraniellen Bereich wurde ein sogenanntes „Mamma-Phantom“ entwickelt, das aus 30 Scheiben des Materials RW3
besteht (jeweils 1cm dick), in das lungenäquivalentes Material eingebettet ist (Abb. 5). Zusätzlich besteht die Möglichkeit, im Bereich der Lunge einen dreidimensionalen Tumor aus RW3 einzubringen. Die einzelnen Scheiben wurden nach einem CT-Datensatz gefertigt, dessen Bilder mittels CAD-Software in Fräsprogramme umgewandelt wurden. Zur Qualitätssicherung von Bestrahlungsplänen können zwischen die einzelnen Schichten Röntgenfilme eingelegt und das Phantom bestrahlt werden. Durch die Auswertung des Films können Rückschlüsse auf die Qualität
des Bestrahlungsplans gezogen werden.
Zur Überprüfung der Genauigkeit stereotaktischer Koordinaten im CT, MR, PET und SPECT wurde ein universell
einsetzbares Stabphantom entwickelt (Abb. 7). Hierbei können stereotaktisch gemessene Koordinaten von Strukturen innerhalb des Phantoms mit deren mechanisch definierten Koordinaten verglichen werden. Das Phantom besteht aus Plexiglas-Stäben unterschiedlicher Längen mit
Bohrungen als Zielpunkt (Abb. 8). Diese Bohrungen können mit Flüssigkeit gefüllt, abgedichtet und mittels eines
Deckels verschlossen werden. Vier der Stäbe sind mit langen Bohrungen ausgestattet, die ebenfalls mit Flüssigkeit
gefüllt werden können. Bei Messungen im MR wurde mit
zwei unterschiedlichen Anordnungen für T1- und T2-Wichtungen Aufnahmen gemacht und die Zielpunkte mittels
der Auswertungssoftware bestimmt. Ein Vergleich mit den
bekannten mechanisch definierten Positionen der Zielpunkte ergab für die beiden Anordnungen eine mittlere radiale
Abweichung von 0,69±0,22mm und 1,35±0,51mm. Die
mittlere Abweichung für CT lag bei 0,40±0,17mm und für
PET bei 1,13±0,50mm bzw. 2,75±1,03mm. Als mittlere
DKFZ 2004: Wissenschaftlicher Ergebnisbericht 2002 - 2003
Forschungsschwerpunkt E
Innovative Krebsdiagnostik und -therapie
Abteilung E040
Medizinische Physik in der Strahlentherapie
Abweichungen
bei
SPECT-Aufnahmen
wurden
1,95±0,52mm und 2,05±0,58mm ermittelt. Das Phantom
ist gut geeignet zur Überprüfung der Genauigkeit stereotaktischer Lokalisatoren für CT, MR, PET und SPECT und
damit ein gutes Hilfsmittel für die Qualitätssicherung der
Geräte und Lokalisatoren speziell für den Kopf-Halsbereich.
Abb. 7: Zusammenbau des Stabphantoms
Abb. 9: Entwurf des Zielgerätes
306
Abb. 8: Unterschiedliche Stabtypen
Motorisch einstellbarer Zielpunktsimulator für die
stereotaktische Neurochirurgie
Die stereotaktische Neurochirurgie ist eine minimalinvasive
Operationstechnik. Da der Chirurg keinen direkten Blick auf
das Operationsfeld hat ist, eine Simulation notwendig, damit sichergestellt ist, dass der Zielpunkt der Operation mit
den Instrumenten auch erreicht werden kann. Bekannte
Systeme sind Jahrzehnte alt und bergen einige Risiken der
Fehleinstellung. Zusammen mit zwei Kooperationspartnern
wurde ein System entwickelt, welches zu bestehenden
Stereotaxiesystemen kompatibel ist. Hierbei kann ein
stereotaktischer Kopfrahmen mit dem motorisch einstellbaren Zielpunktsimulator verbunden und Instrumente am
Rahmen befestigt werden (siehe Abb. 9 und Abb. 10).
Mittels dreier motorisch angetriebener computergesteuerter Linearachsen kann eine konische Spitze, die den Zielpunkt definiert, zum gewünschten Zielpunkt gefahren
werden. Zur Ansteuerung der Achsen können Daten aus
einem Planungssystem verwendet werden, die entweder
manuell oder automatisch - beispielsweise mittels serieller
oder paralleler Schnittstelle - übertragen werden. Ein erste Prototyp der Vorrichtung wurde gebaut und ein Programm geschrieben, das die Ansteuerung der Achsen erlaubt. In einem ersten Schritt wurde nur die manuelle Ansteuerung der Achsen verwirklicht, die durch Eingabe von
Daten über einen eingebauten Touchscreen erfolgt. Als
nächste Schritte stehen Kalibrierung und Test des Systems
an.
Abb. 10: Prototyp des motorisch einstellbaren
Zielpunktsimulators
Publikationen und Patente (* = externer Koautor):
[1] Liebler Th; Sanner Ch; Thilmann Ch; Schneberger M; Echner
G: Implementierung eines Differenzbildverfahrens zur
Repositionierung von Patientinnen mit Mamma-Karzinom. In:
Medizinische Physik 2002, (CD-ROM).
[2] Liebler Th; Schneberger M; Schlegel W: A general application
framework for the integration of video-based patient positioning
techniques. In: Proceedings of the 2nd European Medical & Biological Engineering Conference (EMBEC’02), (2002) 1130-1131
[3] Schneberger M; Liebler Th; Schlegel W: High precision 3D acquisition: video-based patient positioning and optical tracking. In:
Proceedings of the 2nd European Medical & Biological Engineering
Conference (EMBEC’02), (2002) 898-899
[4] Hub M; Liebler T; Sanner C; Schneberger M; Barthold-Bess S;
Thilmann C; Schlegel W: Evaluierung und Optimierung eines
Differenzbildverfahrens (DBV) zur Repositionierung von
Patientinnen mit Mammakarzinom. In: Medizinische Physik 2003.
Hrsg.: W. Semmler, L. Schad. Heidelberg: DGMP, (2003) 138-139.
[5] Liebler T; Hub M; Sanner C; Schlegel W: An application framework for computer-aided patient positioning in radiation therapy.
Medical Informatics and the Internet in Medicine, 28(3) (2003)
161-182.
[6] Britische Patent Anmeldung 0 310 596. - “Method and apparatus for producing an intesity modulated beam of radiation”
Erfinder: Schlegel, Echner, Hartmann, Webb*
DKFZ 2004: Wissenschaftlicher Ergebnisbericht 2002 - 2003
Forschungsschwerpunkt E
Innovative Krebsdiagnostik und -therapie
Anwendung von neuen Methoden in der
Strahlentherapie (E0408)
G. Hartmann, F. Föhlisch, R. Hofmann, E. Wehrwein
Kooperationen
Prof. J. Debus, Radiologische Klinik der Universität Heidelberg;
PD P. Huber, Klinische Kooperationseinheit Strahlentherapeutische Onkologie des DKFZ; Dr. Hörandl, Universität und Forschungszentrum Karlsruhe, Institut für Kernphysik; SánchezDoblado F, Hospital Universitario Virgen Macarena, Radiofísica,
Sevilla, Spanien
Die Arbeitsgruppe befaßt sich in enger Zusammenarbeit
mit anderen Arbeitsgruppen der Abteilung mit der Weiterentwicklung und der klinischen Anwendung von neuen Methoden in der Strahlentherapie.
Einzelne Projekte sind:
a) Qualitätssicherung in der Dosimetrie
Die Möglichkeiten für eine hochpräzise und standardisierte
Messung der Wasser-Energiedosis haben sich in den letzten Jahren sehr verbessert. In Deutschland sind entsprechende normative Regeln in DIN 6800-2 festgelegt. Die
Internationale Atomenergiebehörde in Wien hat einen
neuen „Code of Practice“ zur Bestimmung der Energiedosis
in der externen Strahlentherapie herausgegeben (TRS398). Ziel ist es, diese Standards in einer klinischen Umgebung zu implementieren, zu testen und, falls erforderlich,
zu einer weiteren Verbesserung insbesondere bei einzelnen Korrektionsfaktoren sowie in der praktischen Anwendbarkeit beizutragen.
TRS 398
Dieser CoP beansprucht für sich, die Anforderungen an ein
systematisches und international vereinheitlichtes Verfahren zur Kalibrierung von Ionisationskammern, sowie zu deren Anwendung zur Bestimmung der Wasser-Energiedosis
in therapeutischen Bestrahlungsfeldern zu erfüllen. Es war
daher notwendig, sowohl Verfahren als auch Ergebnisse
zu vergleichen, die gemäß diesem Dokument und die nach
der Deutschen Norm gewonnen werden. Ein Vergleich
wurde bei 6 MV und 15 MV Photonen, sowie bei 12 MeV
und 18 MeV Elektronen durchgeführt. Obwohl eine ganze
Reihe von Unterschieden, insbesondere bei den
Feldstörungs-Korrektionen, festgestellt werden kann, liegen die Übereinstimmung in den Ergebnissen der Dosisbestimmung letztlich innerhalb des zugehörigen
Unsicherheitsbereichs [11,19].
DIN 6800-2
Im Vergleich zur TRS 398 sollte die Deutschen Norm in
einigen Punkten verbessert werden: (a) die praktische
Anwendung für den Anwender in der Klinik kann erleichtert werden, (b) neuere Daten zur Dosisbestimmung sollten berücksichtigt werden, und (c) ein besserer Anschluß
an internationale Empfehlungen sollte angestrebt werden.
Die Mitarbeit im zugehörigen DIN Arbeitskreis hat die Berücksichtigung der genannten Punkte zum Ziel.
Dosimetrie unter Nicht-Referenzbedingungen
Die Ionisationskammerdosimetrie in der Stereotaxie oder
IMRT weicht üblicherweise erheblich von den Messbedingungen der Standarddosimetrie ab. Es sind daher Abweichungen zwischen gemessener und tatsächlicher Dosis
zu erwarten. Abweichungen wurden quantitativ untersucht [18,20]
Abteilung E040
Medizinische Physik in der Strahlentherapie
b) Einführung von motorisch getriebenen und
computergesteuerten Lamellenblenden in die
klinische Anwendung
Die Entwicklung von motorisch betriebenen und computerkontrollierten Lamellenblenden (Multi-Leaf-Collimator,
MLC) hat ganz wesentlich die Realisierung neuer,
dosiskonformierender Bestrahlungstechniken ermöglicht.
Beispiele sind die konformale Strahlentherapie und insbesondere die intensitätsmodulierte Strahlentherapie (IMRT),
die überwiegend auf der Verfügbarkeit von geeigneten
MLC-s beruht. Aufgabe ist es, die in der Abteilung oder in
Zusammenabeit mit der Abteilung entwickelten MLCs
dosimetrisch zu charakterisieren, einer Qualitätskontrolle zu
unterziehen und sie in die klinische Testphase zu bringen.
- Mittelfeld MLC (Firma MRC, jetzt Siemens) [7]
- Mittelfeld MLC des DKFZ (mit beweglicher LeafKantenverstellung)
- Prototyp eines MLC für große Felder (bis 40 x 40 cm2)
c) Entwicklung von Vielkanal-Detektorsystemen
zur dreidimensionalen Dosimetrie
Die neuen Bestrahlungstechniken sind komplex in ihrem
zeitlichen Ablauf, die klinische Anwendung erfordert häufig die Überprüfung der geplanten dreidimensionalen Dosisverteilung vor der Behandlung des Patienten (Dosisverifikation). Wünschenswert sind Viel-Kanal-Systeme, die
Dosisbestimmungen an mehreren Orten gleichzeitig zulassen. Unser Ansatz ist es, eine segmentierte Flüssigkeitsionisationskammer hierfür einzusetzen. Vorteil dieser
Methode ist es, daß (a) eine Segmentierung bis in den
Millimeterbereich noch eine genügend hohe Signalausbeute
liefert und (b) zweidimensionale Detektorarrays in einfacher Weise in einem dreidimensionalen Stapel angeordnet
werden können (3D Detektor). Ziel ist die Entwicklung
eines Prototyps mit automatisierter Meßwerterfassung sowie von effizienter Software, die in real-time einen vollständigen Vergleich zwischen der gemessenen und der
berechneten Dosis ermöglicht.
In Zusammenarbeit mit dem Institut für Kerntechnik, FZ
Karlsruhe, wurde eine segmentierte zweidimensionale Flüssigkeitsionisationskammer konstruiert, deren Segmentierung
an die Lamellenbreite eines Mittelfeld-MLC angepaßt wurde. Parallel dazu wurde ein Multikanal-Auslesesystemen mit
500 Kanälen entwickelt, das eine vollständige und simultane Ladungsmessung aller Kanäle in Schritten von 100 msec
erlaubt. Ein erster Prototyp lieferte bereits vielversprechende Ergebnisse [10].
d) Strahlenreaktionen nach Radiochirurgie am
Tiermodell.
Bei der Strahlentherapie im Kopf-Hals-Bereich stellen mögliche späte Strahlenschäden im Gehirn und am Rückenmark ein großes Risiko dar. Besonderes kritisch ist dabei die
Entstehung von Nekrosen. Zur Abschätzung und Minimierung dieses Risikos muß deren Abhängigkeit von der Dosis
und von anderen Bestrahlungsparametern gut bekannt
sein. Dies hat uns veranlaßt, die Dosis-Wirkungsbeziehung
an einem Tiermodell zu untersuchen. Der Vorteil bei einem
Tiermodell ist, daß eine Dosiswirkungsbeziehung quantitativ und mit hoher Genauigkeit gemessen werden kann.
Ziel ist es, zunächst eine Referenzbeziehung zu etablieren
um dann den Einfluß von anderen Bestrahlungsparametern,
wie z.B. eine veränderte Fraktionierung oder Strahlenart
(Photonen, 12C-Ionen) zu bestimmen zu können.
DKFZ 2004: Wissenschaftlicher Ergebnisbericht 2002 - 2003
307
Forschungsschwerpunkt E
Innovative Krebsdiagnostik und -therapie
308
Abteilung E040
Medizinische Physik in der Strahlentherapie
Es wurden sowohl radiochirurgische Einzeitbestrahlungen
am Rattenhirn (bestrahltes Volumen: 5 mm Durchmesser)
als auch Fraktionierte Bestrahlungen am Rückenmark der
Ratte durchgeführt (Länge des bestrahltes Segments: 15
mm). Die strahleninduzierten Veränderungen wurden bei
den Hirnbestrahlungen mit Hilfe der MagnetresonanzTomographie über einen Zeitraum von 1½ Jahren verfolgt
und ausgewertet. Im Fall der Rückenmarksbestrahlungen
wurde eine Parese °II nach 9 Monaten als biologischer
Endpunkt gewählt. Für alle Experimente wurden aus den
Dosis-Wirkungskurven die Toleranzdosis D50 (Dosis mit 50%
Komplikationswahrscheinlichkeit) bestimmt. Histologische
Ergebnisse zeigten, daß die erzeugten Strahlenschäden
auf das bestrahlte Areal beschränkt bleiben.
[7] Hartmann GH, Föhlisch F: Dosimetric characterization of a
new miniature multileaf collimator. Physics in Medicine and Biology
47, N171-N177, 2002
Die Experimente wurden sowohl mit einer Photonen- als
auch mit einer Kohlenstoff-Ionen-Bestrahlung durchgeführt,
so daß es durch die Bestimmung der Toleranzdosen D50
möglich war die relative biologische Wirksamkeit von Kohlenstoff-Ionen in Bezug auf eine Photonenbestrahlung zu
bestimmen. Obwohl sich die Struktur von Gehirn (parallele
Struktur) und Rückenmark (serielle Struktur) unterscheiden wurde eine vergleichbare relative biologische Wirksamkeit gefunden. Die stützt die Hypothese, daß Daten zur
relativen biologischen Wirksamkeit, die am Rückenmark
gemessen wurden auf Gehirn übertragen werden können.
Dies ist insbesondere deswegen von Bedeutung, da die
Experimente am Rückenmark mit wesentlich geringerem
Aufwand durchgeführt werden können.
[11] Hartmann G. H.: Absorbed dose determination for high energy photon and electron beams at a PRIMUS linear accelerator
using the documents DIN 6800-2 and TRS-398. Zeitschrift für
Medizinische Physik 13 (2003) 241-50
Zur Zeit laufen Rückenmarksexperimente mit 6 und 18 Fraktionen unter Verwendung von Photonen- und Kohlenstoffstrahlen. Ziel der Experimente ist es, die relative
biologische Wirksamkeit für klinisch relevante Fraktionierungsschemata zu bestimmen. Mit Hilfe bereits vorhandener Daten zur Rückenmarkstoleranz ist es außerdem möglich, quantitative Parameter zu bestimmen mit der sich die
Gewebetoleranz für verschiedene Fraktionierungsschemata
ineinander umrechnen läßt.
Publikationen (* = externer Koautor)
[1] Karger C.P., Hartmann G.H.: Determination of tolerance
dose uncertainties and optimal design of dose response experiments with small animal numbers. Strahlentherapie und Onkologie
177, 37-42, 2001
[2] Jäkel O., Krämer M., Karger C.P., Debus J.: Treatment planning for heavy ion radiotherapy: clinical implementation and application. Physics in Medicine and Biology 46, 1101-1116, 2001
[3] Münter M.W., Karger C.P., Schröck H., de Vries A., Schneider
H.-M., Wannenmacher M., Debus J.: Spätveränderungen nach
kleinvolumiger radiochirurgischer Bestrahlung des Rattenhirns:
Messung des lokalen cerebralen Blutflusses und histopathologische Untersuchungen. Strahlentherapie und Onkologie 177,
354-361, 2001
[4] Karger C.P., Hartmann G.H., Heeg P., Jäkel O.: A method for
determining the alignment accuracy of the treatment table axis
at an isocentric irradiation facility. Physics in Medicine and Biology
46, N19-N26, 2001
[8] Karger C.P., Münter M.W., Heiland S., Peschke P. Debus J.,
Hartmann G.H.: Dose response curves and tolerance doses for
late functional changes in the normal rat brain after stereotactic
radiosurgery evaluated by magnetic resonance imaging: influence of end points and follow-up time. Radiation Research 157,
617-625, 2002
[9] Karger CP; Jäkel O; Heeg P; Hartmann GH: Klinische
Dosimetrie für schwere geladene Teilchen. Zeitschrift für
Medizinische Physik, 12 (2002) 159-169.
[10] Eberle K., Engler J., Hartmann G., Hofmann R., Hörandl J.
R.: First tests of a liquit ionization chamber to monitor intensity
modulated radiation beams. Phys Med Biol 48 (2003) 3555-64
[12] Karger CP; Hipp P; Henze M; Echner G; Hoess A; Schad L;
Hartmann GH: Stereotactic imaging for radiotherapy: accuracy of
CT, MRI, PET and SPECT. Physics in Medicine and Biology, 48
(2003) 211-221.
[13] Veigel C. Hartmann G. H., Weber K.-J.: Dosimetrie im
Nahbereich einer 192Ir-Quelle für Applikationen an Ösaphagus und
Bronchus in der Brachytherapie. Zeitschrift für Medizinische
Physik 13 (2003) 275-80
[14] Schulz-Ertner D., Nikoghosyan A., Didinger B., Karger C.P.,
Jäkel O., *Wannenmacher M., Debus J.: Treatment planning
intercomparison for spinal chordomas using intensity-modulated
photon radiation therapy (IMRT) and carbon ions. Physics in
Medicine and Biology 48, 2617-2631, 2003
[15] Webb S, Hartmann G, Echner G, Schlegel W.: Intensitymodulated radiation therapy using a variable-aperture collimator.
Phys Med Biol. 2003 May 7;48(9):1223-38
[16] Karger C.P., Schulz-Ertner D., Didinger B.H., Debus J., Jäkel
O.: Influence of setup errors on spinal cord dose and treatment
plan quality for cervical spine tumors: A phantom study for photon IMRT and heavy charged particle radiotherapy. Physics in
Medicine and Biology 48, 3171-3189, 2003
[17] Schulz-Ertner D., Nikoghosyan A., Thilmann C., Haberer T.,
Jäkel O., Karger C.P., Scholz M., *Kraft G., *Wannenmacher M.,
Debus J.: Carbon ion radiotherapy for chordomas and low-grade
chondrosarcomas of the skull base: Results in 67 patients.
Strahlentherapie und Onkologie 179, 598-605, 2003
[18] *Capote R, *Sánchez-Doblado F, *Leal A, *Lagares JI,
*Arráns R, Hartmann GH: An EGSnrc Monte Carlo study of the
microionization chamber for reference dosimetry of narrow irregular IMRT beamlets. Medical Physics 31, 2416-2422, 2004
[19] Karger C.P., Hartmann G.H.: Experimental correction for
ionic recombination in ionization chambers for pulsed radiation
according to DIN 6800-2 and TRS 398. Z. Med. Phys. (accepted).
[20] *Sánchez-Doblado F, *Capote R, *Leal A, *Rosello JV,
*Lagares JI, *Arráns R, Hartmann GH: Clinical implication of the
absolute dosimetry in IMRT verification. Phys Med Biol (accepted)
[5] Karger C.P., Jäkel O., Debus J., Kuhn S., Hartmann G.H.:
Three- dimensional accuracy and interfractional reproducibility of
patient fixation and positioning using a stereotactic head mask
system. International Journal of Radiation Oncology, Biology,
Physics 49, 1223-1234, 2001
[6] Jäkel O., Jacob C., Schardt D., Karger C.P., Hartmann G.H.:
Relation between carbon ion ranges and x-ray CT numbers for
tissue equivalent phantom materials. Medical Physics 28, 701703, 2001
DKFZ 2004: Wissenschaftlicher Ergebnisbericht 2002 - 2003
Forschungsschwerpunkt E
Innovative Krebsdiagnostik und -therapie
Schwerionentherapieprojekt (E0409)
O. Jäkel, A. Eisenmenger, O. Filipenko, P. Heeg,
C.P. Karger, S. Qamhiyeh, P. Reiss, H.J. Wertz
In Zusammenarbeit mit: PD Dr. D. Schulz-Ertner, Klinische
Kooperationseinheit Strahlentherapeutische Onkologie des DKFZ;
Prof. J. Debus, Radiologische Klinik der Universität Heidelberg;
Prof. G. Kraft, Arbeitsgruppe Biophysik, Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) Darmstadt; Dr. R. Bendl, Abt. Medizinische
Physik, DKFZ.
Die Arbeiten wurden teilweise durch den Strategiefonds des
BMBF sowie durch das EU-Projekt ENLIGHT unterstützt.
Das Schwerionentherapieprojekt wird in Zusammenarbeit
zwischen der Universitätsklinik, dem DKFZ und der GSI am
Schwerionensynchrotron der GSI durchgeführt. Von Dezember 1997 bis Ende 2003 wurden im Rahmen klinischer
Studien mehr als 200 Patienten mit Kohlenstoffionen
strahlentherapeutisch behandelt. Dabei kommt ein sogenanntes Rasterscanverfahren zum Einsatz, welches eine
dreidimensionale Anpassung der Dosisverteilung auch an
sehr komplizierte Tumoren ermöglicht. Zusammen mit der
erhöhten biologischen Wirkung der Ionenstrahlen wird
damit ein besseres Ansprechen der Tumoren erwartet.
Unsere Arbeitsgruppe ist in diesem Projekt für die medizinphysikalischen Aspekte verantwortlich [1]. Dies sind die
klinische Dosimetrie [6,9,11], die Bestrahlungsplanung
[1,3,4,5,7,8,10], die Patientenpositionierung [2], sowie
die Qualitätssicherung für diese Bereiche.
Im Bereich der Dosimetrie bestanden die Hauptarbeiten in
der Verbesserung des Dosimetrieprotokolls und einer
Optmierung der Dosisverifikation von Bestrahlungsplänen.
In Zusammenarbeit mit dem Karolinska Institut, Stockholm,
wurden Untersuchungen des Einflusses der nuklearen
Fragmentierung auf die Dosismessung mit Hilfe von Monte
Carlo Simulationen begonnen. Mit einer Reihe von Messungen wurden verschiedene Korrekturfaktoren in der Schwerionendosimetrie genauer quantifiziert.
Abteilung E040
Medizinische Physik in der Strahlentherapie
Das Bestrahlungsplanungsprogramm, welches auf der in
unserer Abteilung entwickelten graphischen Benutzeroberfläche VIRTUOS und dem an der GSI entwickelten Schwerionenalgorithmus TRiP aufbaut, wurde auch 2002/2003
weiter verbessert. Das Planungsprogramm unterstützt nun
auch die Optimierung von Kombinationstherapien aus konventioneller Bestrahlung und Schwerionentherapie. Ferner
unterstützt die Therapieplanung nun auch die Behandlung
von Patienten in sitzender Position, was eine höhere Flexibilität bei der Auswahl der Bestrahlungswinkel ermöglicht.
In einer Reihe von Planungsstudien wurde für verschiedene Indikationen untersucht, welche klinische Wertigkeit
die Schwerionentherapie im Vergleich zur Intensitätsmodulierten Strahlentherapie (IMRT) mit konventioneller Bestrahlung bietet. Untersucht wurden dabei u.a. der Einfluss
von Positionierfehlern auf die Qualität von Therapieplänen
für Patienten mit spinalen Chordomen im Vergleich zwischen IMRT und Schwerionentherapie und die Optimierung von Kombinationstherapien aus Ionenstrahlung und
IMRT für adenoidzystische Karzinome und Prostatakarzinome. Abb. 1 zeigt eine Dosisverteilung wie sie mit einem
Therapieplan für einen Patienten mit Prostatakarzinom zur
Boostbestrahlung mit der Schwerionentherapie möglich ist.
Der hohe Grad der Anpassung des Hochdosisbereiches an
das Zielvolumen ist hier sehr deutlich zu erkennen. In Abb.
2 ist ein Therapieplan für eine Kombinationstherapie aus
IMRT und Schwerionentherapie zu sehen wie sie derzeit
an der GSI bereits angewandt wird. Nur der makroskopisch sichtbare Tumor wird mit Ionenstrahlen behandelt
und insgesamt höher dosiert, während ein erheblich größeres Volumen mit konventioneller Strahlung behandelt wird.
Mehrere Diplomarbeiten beschäftigten sich mit der Quantifizierung der Genauigkeit der Reichweiteberechnung der
Ionen im Gewebe. Dabei wurden der Einfluss von Röntgenkontrastmittel [5], Metallimplantaten [4] und der Kalibrierung des Computertomographen [3] untersucht.
Abb. 1: Dosisverteilung für eine
Boost-Bestrahlung der Prostata, wie sie mit einer Gegenfeldbestrahlung mit Kohlenstoffionen erreicht werden kann.
Die geringe Dosisbelastung im
Rektum (blau) reduziert die
Strahlentoxizität erheblich.
Abb. 2: Dosisverteilung
eines Therapieplanes für
eine Kombinationstherapie
aus IMRT und Schwerionentherapie für einen Patienten
mit adenoidzystischem Karzinom. Nur das makroskopisch sichtbare Tumorvolumen wird mit Ionenstrahlen
behandelt und insgesamt
höher dosiert. Hirnstamm
(grün) und Sehnerven
(gelb, blau) können nahezu
völlig aus dem Hochdosisbereich ausgespart werden.
DKFZ 2004: Wissenschaftlicher Ergebnisbericht 2002 - 2003
309
Forschungsschwerpunkt E
Innovative Krebsdiagnostik und -therapie
Abteilung E040
Medizinische Physik in der Strahlentherapie
Die Arbeitsgruppe ist zudem für die Leitung der Arbeitsgruppe Therapieplanung im EU-Projekt ENLIGHT zuständig. Im
Rahmen dieses Projektes wurde eine Übersicht über die
klinischen Einsatzmöglichkeiten, Bestrahlungstechniken,
Therapieplanungssysteme und Basisdaten für die Schwerionentherapie erarbeitet. Ziel des Projektes ist es, alle verfügbaren Erfahrungen in der Ionentherapie zu bündeln und in
Form von Empfehlungen allgemein zur Verfügung zu stellen.
Um eine größere Flexibilität bei der Einstrahlrichtung auf
den Patienten zu erhalten, wurde zusätzlich zum Bestrahlungstisch ein Behandlungsstuhl im Bestrahlungsraum
installiert. Aufgrund der durchgeführten Qualitätssicherungsmaßnahmen wurde 2003 die Genehmigung zum Einsatz des Stuhles erteilt. Der klinische Einsatz kann nach
Abschluss der Arbeiten an der Planungssoftware und zur
Positioniergenauigkeit voraussichtlich Anfang 2004 erfolgen.
Im Berichtszeitraum wurden insgesamt 86 Patientenbestrahlungen mit Schwerionen an der GSI durchgeführt. Das
entspricht einer Steigerung um 25% gegenüber dem Berichtszeitraum 2000/2001. Den Schwerpunkt bildeten dabei
die Behandlung von Chordomen und Chondrosarkomen der
Schädelbasis mit alleiniger Schwerionentherapie.
Publikationen (* = externer Koautor)
310
[1] Jäkel O., Schulz-Ertner D., Karger C.P., Nikoghosyan A.,
Debus J.: Heavy ion therapy: status and perspectives. Technology in Cancer Research and Treatment 2, 377-388, 2003
[2] Karger C.P., Schulz-Ertner D., Didinger B.H., Debus J., Jäkel
O.: Influence of setup errors on spinal cord dose and treatment
plan quality for cervical spine tumors: A phantom study for photon IMRT and heavy charged particle radiotherapy. Phys. Med.
Biol. 48, 3171-3189, 2003
[3] Qamhiyeh S: Hounsfield units to range calibration in heavy
ion therapy, Master Thesis, Universität Heidelberg, 2003.
[4] Reiss P: Die Auswirkung von Metallartefakten bei der
Computertomographie auf die Reichweiteberechnung von
Schwerionen in der Strahlentherapie, Diplomarbeit, Universität
Heidelberg, 2003.
[5] Wertz HJ: Der Einfluss von Jod-Kontrastmittel auf die CTbasierte Reichweitenberechnung in der Schwerionentherapieplanung. Diplomarbeit, Fachhochschule Giessen-Friedberg,
Heidelberg, 2002.
[6] Karger C.P., Jäkel O., Heeg P., Hartmann G.H.: Klinische
Dosimetrie für schwere geladene Teilchen. Zeitschrift für
Medizinische Physik 12 (2002) 159-169.
[7] Jäkel O: Bestrahlungsplanung für die Schwerionentherapie,
ISBN 3-8322-0350-8, Shaker Verlag, Aachen, 2002.
[8] Jäkel O., Schulz-Ertner D., Krämer M., *Kraft G.,
*Wannenmacher M., Debus J: Approaching the Limits: IMRT with
Carbon Ions. In: Progress in Radio-Oncology VII 291-295, Eds.
Kogelnik H.D., Lukas P., Sedlmayer F.Bologna, 2002.
[9] Jäkel O., Dosimetry of C12-ion beams at the German Heavy
Ion Therapy Facility - Comparison between the currently used
approach and the new TRS-398. In: Proceedings of the IAEA
Standards and Codes of Practice in Medical Radiation Dosimetry,
Vienna, 2002.
[10] Wertz H., Jäkel O: The influence of iodine contrast agents
on the range calculations of ion beams in radiotherapy. Medical
Physics 31 (2004) 767-773.
[11] Jäkel O., Hartmann GH, Karger CP, Heeg P., Vatnitsky S: A
calibration procedure for beam monitors in a scanned beam of
heavy charged particles. Medical Physics 31 (2004) 1009-1013.
DKFZ 2004: Wissenschaftlicher Ergebnisbericht 2002 - 2003