Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Mathematik optimiert die Strahlentherapie bei Krebspatienten

12.12.2001


Mit einem neuen Softwaretool können Mathematiker des Fraunhofer-Instituts Ärzten helfen, Tumoren genauer zu bestrahlen und gesundes Gewebe zu schützen.

Seit der Entdeckung der ionisierenden Strahlung und ihrer Wirkung auf Tumorgewebe vor gut 100 Jahren wird Strahlentherapie zunehmend gezielter und wirksamer eingesetzt. So war sie die erste Behandlungsmethode in der Medizin, zu deren Planung ab Mitte der fünfziger Jahre Computer eingesetzt wurden. Dennoch stirbt mehr als ein Viertel der Patienten mit aktivem Primärtumor, - obwohl sie eine gute Heilungsprognose hatten. Für dieses Phänomen gibt es zahlreiche, auch medizinische Gründe. Ein für Experten wesentlicher Grund für diese schlechte Heilungsquote ist die vor allem für schwierige Fälle noch unzureichend präzise Planung und Anwendung der Strahlentherapie.

Konformationstherapie als Planungsansatz

Am Deutschen Krebsforschungszentrum (DKFZ) in Heidelberg arbeiten Physiker und Mediziner seit zehn Jahren an einer präziseren Behandlungsmethode, die ?intensitäts-modulierte Radiotherapie?, kurz IMRT, die es grundsätzlich technisch erlaubt, Strahlung auch bei schwieriger Anatomie zielgenau ins Tumorgewebe zu bringen. Aufgrund dieser Arbeiten gehörten die DKFZ-Forscher zu dem engeren Kreis von Anwärtern auf den Deutschen Zukunftspreis, der am 29. November in Berlin von Bundespräsident Johannes Rau vergeben wurde. Ziel der Therapie ist es, ein möglichst hohes, die Krebszellen zerstörendes Dosisniveau im Tumor bei größtmöglicher Schonung des umliegenden Gewebes zu realisieren.
Solche Dosisverteilungen kann man sich ähnlich einer Luftdruckverteilung auf einer Wetterkarte durch sogenannte ?Isodosenlinien? veranschaulichen Linien bzw. Flächen gleicher Farbe entsprechen einer Bestrahlung mit derselben Dosis. Eine gute Dosisverteilung ist dadurch gegeben, dass Isodosenlinien von hohen Dosisniveaus das Tumorgewebe umschmiegen und außerhalb des Tumors schnell auf ein möglichst niedriges Niveau abfallen.


Eine Planung dieser ?Konformationstherapie? (Isodosenlinien hoher Dosen haben die gleiche Form wie der Tumor) ist jedoch schwierig: Hohe Strahlendosis im Krebsgewebe und möglichst niedrige Dosisniveaus im umliegenden Gewebe, insbesondere in lebenswichtigen Organen, sind physikalisch widersprüchliche Anforderungen. Ideale Dosisverteilungen, die alle Risiken ausschließen, kann es daher nicht geben. Strahlentherapieplanung sucht stets nach Kompromissen zwischen Unterbestrahlung von Tumorgewebe, verbunden mit der Gefahr eines wiederaufflammenden Tumors, und Überbestrahlung von gesundem Gewebe wobei Nebenwirkungen in lebenswichtigen Organen zu befürchten sind.

Bestrahlungsplanung geschieht zur Zeit in der klinischen Praxis so, dass erfahrene Techniker aufgrund der Patientendaten einen ersten Bestrahlungsplan berechnen. Die Planung geschieht halbautomatisch: Mit Hilfe eines vom Planer nach Erfahrung vorgegebenen Bewertungsmechanismus, der die Güte der Dosisverteilung evaluiert, wird vom Computer ein Plan berechnet und dem verantwortlichen Arzt vorgelegt. Ist der Mediziner mit dem vorgelegten Plan einverstanden, wird er umgesetzt, anderenfalls gibt er ihn dem Techniker mit dem Wunsch zurück, in bestimmten Organen niedrigere Dosen und im Krebsgewebe höhere Dosen einzuplanen. Mit diesen Vorgaben wird der Techniker erneut einen Plan berechnen, wobei er den Bewertungsmechanismus entsprechend verändern muss
Diese Vorgehensweise ist oft ineffizient, da die verwendeten Bewertungsmechanismen keine ?dynamische Planung? erlauben. Das zielgerichtete Auffinden eines guten Strahlentherapieplans verlangt ein Planungswerkzeug, das in der Lage ist, medizinisch vertretbare Behandlungsvorschläge differenziert nach Bewertungen der Dosisverteilung in allen relevanten Organen zu suchen.

Strahlentherapieplanung als multikriterielles Optimierungsproblem

Die Beurteilungen von Sachverhalten nach mehreren, teilweise widersprüchlichen Kriterien und die Suche nach guten Kompromissen sind mathematisch Gegenstand der multikriteriellen Entscheidungstheorie. Ein Behandlungsplan ist nach mathematischer Theorie optimal oder effizient für ein mehrkriterielles Optimierungsproblem, wenn man, um ein Bewertungskriterium zu verbessern, mindestens einer der anderen Kriterien verschlechtern muss. Eine effiziente Lösung eines mehrkriteriellen Problems kann also nicht in allen Kriterien gleichzeitig verbessert werden.

Forschergruppen des Fraunhofer Instituts für Techno- und Wirtschaftsmathematik (ITWM) und des Deutschen Krebsforschungszentrums (DKFZ) arbeiten in öffentlich geförderten Projekten an der Modellierung und Umsetzung von Strahlentherapieplanung mit Hilfe von Methoden der multikriteriellen Optimierung. Die Vorhaben werden vom Lehrstuhl für Mathematische Optimierung am Fachbereich Mathematik der Universität Kaiserslautern in der Erarbeitung wissenschaftlicher Grundlagen unterstützt.

Ausgehend von den Untersuchungsdaten des Patienten werden mit einer am ITWM entwickelten Software automatisch einige hundert klinisch sinnvolle, effiziente Strahlentherapiepläne berechnet und in einer Datenbank gespeichert. Diese Datenbank kann dann zur Entscheidung über die Behandlung von den verantwortlichen Ärzten (zeitlich unabhängig von den Technikern) mit einem vom ITWM patentierten Navigationsmechanismus, geleitet von persönlichen Erfahrungen des Arztes und individuell auf den Patienten abgestimmt, durchsucht werden. Das Navigationstool ist auch für mathematische Laien verständlich. Mediziner, aber auch interessierte Patienten müssen keinerlei mathematische Kenntnisse mitbringen, um Behandlungspläne in der Datenbank allein mit graphischen Mitteln zielgerichtet zu suchen oder miteinander zu vergleichen. Der Suchmechanismus ist so gestaltet, dass sich der Planer nur einige wenige Pläne anschauen muss, um zu einem fundierten und ausgewogenen Therapieentscheid zu kommen.

Cäcilie Kowald | idw

Weitere Berichte zu: Organ Strahlentherapie Tumorgewebe

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Medizin Gesundheit:

nachricht Lymphdrüsenkrebs programmiert Immunzellen zur Förderung des eigenen Wachstums um
22.02.2018 | Wilhelm Sander-Stiftung

nachricht Forscher entdecken neuen Signalweg zur Herzmuskelverdickung
22.02.2018 | Ruhr-Universität Bochum

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Medizin Gesundheit >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Vorstoß ins Innere der Atome

Mit Hilfe einer neuen Lasertechnologie haben es Physiker vom Labor für Attosekundenphysik der LMU und des MPQ geschafft, Attosekunden-Lichtblitze mit hoher Intensität und Photonenenergie zu produzieren. Damit konnten sie erstmals die Interaktion mehrere Photonen in einem Attosekundenpuls mit Elektronen aus einer inneren atomaren Schale beobachten konnten.

Wer die ultraschnelle Bewegung von Elektronen in inneren atomaren Schalen beobachten möchte, der benötigt ultrakurze und intensive Lichtblitze bei genügend...

Im Focus: Attoseconds break into atomic interior

A newly developed laser technology has enabled physicists in the Laboratory for Attosecond Physics (jointly run by LMU Munich and the Max Planck Institute of Quantum Optics) to generate attosecond bursts of high-energy photons of unprecedented intensity. This has made it possible to observe the interaction of multiple photons in a single such pulse with electrons in the inner orbital shell of an atom.

In order to observe the ultrafast electron motion in the inner shells of atoms with short light pulses, the pulses must not only be ultrashort, but very...

Im Focus: Good vibrations feel the force

Eine Gruppe von Forschern um Andrea Cavalleri am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) in Hamburg hat eine Methode demonstriert, die es erlaubt die interatomaren Kräfte eines Festkörpers detailliert auszumessen. Ihr Artikel Probing the Interatomic Potential of Solids by Strong-Field Nonlinear Phononics, nun online in Nature veröffentlich, erläutert, wie Terahertz-Laserpulse die Atome eines Festkörpers zu extrem hohen Auslenkungen treiben können.

Die zeitaufgelöste Messung der sehr unkonventionellen atomaren Bewegungen, die einer Anregung mit extrem starken Lichtpulsen folgen, ermöglichte es der...

Im Focus: Good vibrations feel the force

A group of researchers led by Andrea Cavalleri at the Max Planck Institute for Structure and Dynamics of Matter (MPSD) in Hamburg has demonstrated a new method enabling precise measurements of the interatomic forces that hold crystalline solids together. The paper Probing the Interatomic Potential of Solids by Strong-Field Nonlinear Phononics, published online in Nature, explains how a terahertz-frequency laser pulse can drive very large deformations of the crystal.

By measuring the highly unusual atomic trajectories under extreme electromagnetic transients, the MPSD group could reconstruct how rigid the atomic bonds are...

Im Focus: Verlässliche Quantencomputer entwickeln

Internationalem Forschungsteam gelingt wichtiger Schritt auf dem Weg zur Lösung von Zertifizierungsproblemen

Quantencomputer sollen künftig algorithmische Probleme lösen, die selbst die größten klassischen Superrechner überfordern. Doch wie lässt sich prüfen, dass der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Von festen Körpern und Philosophen

23.02.2018 | Veranstaltungen

Spannungsfeld Elektromobilität

23.02.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - April 2018

21.02.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Vorstoß ins Innere der Atome

23.02.2018 | Physik Astronomie

Wirt oder Gast? Proteomik gibt neue Aufschlüsse über Reaktion von Rifforganismen auf Umweltstress

23.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Wie Zellen unterschiedlich auf Stress reagieren

23.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics