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 Stammzell-Transplantation: Aktivierung von Signalwegen schützt vor gefährlicher Immunreaktion
20.04.2017 | Technische Universität München

nachricht Was Bauchspeicheldrüsenkrebs so aggressiv macht
18.04.2017 | Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

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: Immunzellen helfen bei elektrischer Reizleitung im Herzen

Erstmals elektrische Kopplung von Muskelzellen und Makrophagen im Herzen nachgewiesen / Erkenntnisse könnten neue Therapieansätze bei Herzinfarkt und Herzrhythmus-Störungen ermöglichen / Publikation am 20. April 2017 in Cell

Makrophagen, auch Fresszellen genannt, sind Teil des Immunsystems und spielen eine wesentliche Rolle in der Abwehr von Krankheitserregern und bei der...

Im Focus: Tief im Inneren von M87

Die Galaxie M87 enthält ein supermassereiches Schwarzes Loch von sechs Milliarden Sonnenmassen im Zentrum. Ihr leuchtkräftiger Jet dominiert das beobachtete Spektrum über einen Frequenzbereich von 10 Größenordnungen. Aufgrund ihrer Nähe, des ausgeprägten Jets und des sehr massereichen Schwarzen Lochs stellt M87 ein ideales Laboratorium dar, um die Entstehung, Beschleunigung und Bündelung der Materie in relativistischen Jets zu erforschen. Ein Forscherteam unter der Leitung von Silke Britzen vom MPIfR Bonn liefert Hinweise für die Verbindung von Akkretionsscheibe und Jet von M87 durch turbulente Prozesse und damit neue Erkenntnisse für das Problem des Ursprungs von astrophysikalischen Jets.

Supermassereiche Schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien sind eines der rätselhaftesten Phänomene in der modernen Astrophysik. Ihr gewaltiger...

Im Focus: Deep inside Galaxy M87

The nearby, giant radio galaxy M87 hosts a supermassive black hole (BH) and is well-known for its bright jet dominating the spectrum over ten orders of magnitude in frequency. Due to its proximity, jet prominence, and the large black hole mass, M87 is the best laboratory for investigating the formation, acceleration, and collimation of relativistic jets. A research team led by Silke Britzen from the Max Planck Institute for Radio Astronomy in Bonn, Germany, has found strong indication for turbulent processes connecting the accretion disk and the jet of that galaxy providing insights into the longstanding problem of the origin of astrophysical jets.

Supermassive black holes form some of the most enigmatic phenomena in astrophysics. Their enormous energy output is supposed to be generated by the...

Im Focus: Neu entdeckter Exoplanet könnte bester Kandidat für die Suche nach Leben sein

Supererde in bewohnbarer Zone um aktivitätsschwachen roten Zwergstern gefunden

Ein Exoplanet, der 40 Lichtjahre von der Erde entfernt einen roten Zwergstern umkreist, könnte in naher Zukunft der beste Ort sein, um außerhalb des...

Im Focus: Resistiver Schaltmechanismus aufgeklärt

Sie erlauben energiesparendes Schalten innerhalb von Nanosekunden, und die gespeicherten Informationen bleiben auf Dauer erhalten: ReRAM-Speicher gelten als Hoffnungsträger für die Datenspeicher der Zukunft.

Wie ReRAM-Zellen genau funktionieren, ist jedoch bisher nicht vollständig verstanden. Insbesondere die Details der ablaufenden chemischen Reaktionen geben den...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Smart-Data-Forschung auf dem Weg in die wirtschaftliche Praxis

21.04.2017 | Veranstaltungen

Baukultur: Mehr Qualität durch Gestaltungsbeiräte

21.04.2017 | Veranstaltungen

Licht - ein Werkzeug für die Laborbranche

20.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Intelligenter Werkstattwagen unterstützt Mensch in der Produktion

21.04.2017 | HANNOVER MESSE

Forschungszentrum Jülich auf der Hannover Messe 2017

21.04.2017 | HANNOVER MESSE

Smart-Data-Forschung auf dem Weg in die wirtschaftliche Praxis

21.04.2017 | Veranstaltungsnachrichten