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Monte-Carlo-Simulationen
für die Behandlungsplanung in der Strahlentherapie


Krebs steht in den Industriestaaten an zweiter Stelle der Todesursachen. Etwa die Hälfte aller Krebspatienten erhalten Strahlentherapie. Neben der herkömmlichen Behandlung mit Gamma-Strahlung setzt sich die Teilchen- oder Partikeltherapie, also eine Bestrahlung mit Protonen oder Kohlenstoff-Ionen, immer mehr durch. Diese bietet den Vorteil, die eingestrahlte Dosisverteilung aufgrund des in einer bestimmten Tiefe auftretenden sogenannten Bragg-Peaks deutlich besser auf den Tumor konzentrieren zu können.

Dabei ist eine möglichst genaue Behandlungsplanung unabdingbar: Aus den Vorgaben der Arztes und Aufnahmen bildgebender Verfahren (Computertomorgraphie, Positronen-Emissions-Tomographie etc.) erstellt ein Medizinphysiker mithilfe eines speziellen Computerprogramms einen optimalen Bestrahlungsplan. Dieser stellt sicher, dass der Tumor zerstört (hohe Strahlendosis), aber das gesunde Gewebe möglichst geschont (minimale Strahlendosis) wird. Dazu muss die Software berechnen, welche räumliche Dosisverteilung aus dem berechneten Bestrahlungsplan resultiert. Die dazu verwendeten Algorithmen basieren meist auf einer vereinfachenden Parametrisierung des Energieverlustes der verwendeten Strahlung im menschlichen Gewebe.

Als Alternative dazu möchten wir Monte-Carlo-Simulationen zur Behandlungsplanung einsetzen. Dabei werden einzelne einfallende Teilchen detailliert mit all ihren Wechselwirkungen mit der durchstrahlten Materie simuliert. Dies erlaubt zusätzlich zur genaueren Berechnung der deponierten Energiedosis eine Vorhersage der Abstrahlung von Sekundärteilchen im Körper, die z.B. zum Monitoring noch während der Behandlung dienen können. Dabei setzen wir das in der Elementarteilchenphysik weit verbreitete Paket GEANT4 ein, welches wir zum Einsatz bei den vergleichsweise geringen Teilchenenergien validieren und gegebenenfalls durch genauere Daten ergänzen möchten. Dazu führen wir Messungen von Kern-Wirkungsquerschnitten durch.

Dieses Forschungsprojekt wird vom III. Physikalischen Institut in Zusammenarbeit mit der Klinik für Strahlentherapie am Universitätsklinikum Aachen durchgeführt.

Flugzeitspektrometer

Bei einer Krebstherapie mit Teilchenstrahlung kommen neben den physikalisch sehr gut verstandenen elektromagnetischen Wechselwirkungen der Strahlteilchen mit dem Gewebe des Patienten auch Kernreaktionen vor. Diese sind gerade in dem für die Strahlentherapie relevanten Energiebereich von einigen 100 MeV pro Nukleon nur unzureichend verstanden und ihre Wirkungsquerschnitte nur relativ ungenau bekannt. In der Behandlungsplanung, die einer jeden Patientenbestrahlung vorausgeht, werden sie derzeit meist gar nicht berücksichtigt. Aus diesem Grund entwickelt unsere Arbeitsgruppe ein Flugzeitspektrometer, mit welchem zunächst die Reaktion von Protonen mit Kohlenstoff untersucht und die Wirkungsquerschnitte mit einer Genauigkeit von 10% bestimmt werden soll.

Es werden Szintillationsdetektoren verwendet, die mit Photodioden oder Silizium-Photomultipliern (SiPMs) ausgelesen werden. Diese Detektoren werden an unserem Institut in Zusammenarbeit mit den Werkstätten entwickelt. Dabei findet auch ein aktiver Austausch mit anderen Gruppen statt, wie etwa die SiPM-Gruppe bei CMS. Zeitgleich wird der gesamte Aufbau in Geant4 simuliert, um den Detektor zu modellieren und die gemessenen Wirkungsquerschnitte mit denen der Simulation vergleichen zu können.

Aufbau des Flugzeitspektrometers (Geant4 Simulation).

Braggpeak-Live-Monitoring

Eine weitere Herausforderung bei der Bestrahlung eines Patienten ist die Überwachung der longitudinalen Position des Braggpeaks in Echtzeit. Dazu müssen die prompten Gammastrahlen detektiert werden, die durch Kernreaktionen in der bestrahlten Region entstehen. Eines der Ziele unserer Gruppe ist zunächst die Untersuchung der prompten Gammastrahlung mit Hilfe eines Germaniumdetektors und eines Anti-Compton-Shield (ACS) Detektors. Der ACS-Detektor besteht aus anorganischen Szintillatorkristallen. Acht BGOKristalle und ein NaI(Tl) Ring sind um einen Germaniumkristall herum angeordnet. Messprinzip und experimenteller Aufbau sind in der Abbildung gezeigt.

Mit Geant4 Simulationen werden die Detektorantworten untersucht und auf bestmögliche Leistung optimiert. In einem zweiten Schritt des Projekts wird eine sogenannte Compton-Kamera entwickelt, mit der die Position des Braggpeaks rekonstruiert werden kann.

 

Abbildung: Schema des Messprinzips zur Postionsbestimmung des Braggpeaks. Zu sehen sind der mit einem Protonen- oder Ionenstrahl bestrahlte Bereich, die Erzeugung von Sekundärteilchen aus Kernreaktionen, Kollimation und der Nachweis der prompten Gammastrahlung unter Verwendung des Germaniumdetektors und des Anti-Compton-Detektors.

Klinik für Strahlentherapie der Uniklinik RWTH Aachen

Bewegliches Phantom, das in Kooperation mit dem Institut für Regelungstechnik entwickelt wird. Das Phantom ist der menschlichen Lunge nachempfunden und ermöglicht es, die deponierte Dosis zu messen, was in einem Patienten nicht möglich ist.

In Kooperation mit der Klinik für Radioonkologie und Strahlentherapie der Uniklinik RWTH Aachen werden klinisch angewandte Forschungsthemen untersucht. Unsere Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit dem Einfluss von Tumorbewegungen während einer Strahlentherapie. Einige Tumore unterliegen einer ständigen Bewegung, z. B. der Atembewegung. Diese muss sowohl für die Bildgebung sowie die Planung und Durchführung einer Therapie berücksichtigt werden.

Um Energiedepositionen bewegungsabhängig berechnen zu können, wird eine 4D-Monte-Carlo Simulation verwendet. Mit Hilfe des Toolkits Geant4 werden ein klinischer Linearbeschleuniger und bewegliche Geometrien modelliert. Die Simulation wird anhand von statischen und bewegten Messungen validiert. Es werden Dosisberechungen mit Patientendaten durchgeführt und Bewegungseinflüsse patientenindividuell untersucht. Weiterhin soll aus der Untersuchung des Bewegungseinflusses ein Konzept zur Wahl eines bewegungskompensierenden Sicherheitssaums abgeleitet werden.

Dafür werden mit einer Bestrahlungsplanungs-Software Atembewegungen im Bestrahlungsplan eines Patienten simuliert. In der Abbildung ist die simulierte Geometrie dargestellt.

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