Neues Kamerasystem soll Bestrahlung noch genauer und wirksamer machen

Die OncoRay-Nachwuchsforschungsgruppe „In-vivo Dosimetrie für neue Strahlenarten“ um ihren Leiter Dr. Uwe Dersch arbeitet deshalb am Prototyp eines Kamerasystems für den klinischen Einsatz, mit dem sich die Dosisdeposition während der Tumorbehandlung mit Protonen- und/oder Ionenstrahlen über den Nachweis prompter Gammastrahlung – diese entsteht bei der Wechselwirkung des Teilchenstrahls mit der bestrahlten Materie – überwachen lässt.

Dabei kooperieren die Wissenschaftler im interdisziplinären Zusammenspiel mit den internen Gruppen des „Nationalen Zentrums für Strahlenforschung in der Onkologie“ – OncoRay – und seinen Träger-Institutionen Universitätsklinikum Carl Gustav Carus Dresden, Medizinische Fakultät der TU Dresden und Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf sowie der Industrie. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF unterstützt das Vorhaben in den kommenden fünf Jahren zunächst mit 4,5 Millionen Euro.

Die Verwendung von Protonen und leichten Ionen bietet im Vergleich zu Photonen wesentliche Vorteile in der Tumorbehandlung: Das Dosismaximum (Bragg Maximum) liegt tief im Gewebe und die Dosis kann durch Steuerung von Teilchenenergie und Strahlposition in Tiefe und lateraler Position genau im zu behandelnden Gewebe platziert werden. Zudem besteht eine höhere biologische Wirksamkeit von leichten Ionen. Daraus resultiert ein größerer therapeutischer Nutzen, da gesundes Gewebe besser vor Strahlenschäden bewahrt wird und Tumorzellen effizienter zerstört werden.

Im Gegensatz zu Photonenstrahlen ist die Dosisverteilung von Partikelstrahlen jedoch außerordentlich empfindlich gegenüber geringfügigen Ungenauigkeiten im strahlentherapeutischen Behandlungsprozess, die ihre Ursache zum Beispiel in der CT Kalibrierung, der Patientenpositionierung oder der Veränderung der Patienten- beziehungsweise Tumor– Anatomie haben.

Um die Vorteile der Partikelstrahlen in vollem Umfang therapeutisch zu nutzen, muss die während einer Teilchentherapie deponierte Dosis hinsichtlich ihrer lokalen Verteilung und Position überwacht werden. Hier soll das neue Kamerasystem zum Einsatz kommen. „Es soll so effizient werden, dass innerhalb der Zeit, die für die Applikation einer Minimal-Dosis der Bestrahlung benötigt wird, bereits Ergebnisse vorliegen“, erläutert der aus einem Industrieunternehmen der Halbleiterbranche zu OncoRay gewechselte Gruppenleiter Dr. Uwe Dersch. Den Hochenergie-Physiker mit Spezialisierung auf Detektoren reizte an dem Hochtechnologie-Forschungsprojekt die Möglichkeit, eigene Innovationen umsetzen zu können.

Mit seinen Kollegen entwickelt Dr. Dersch nun ein skalierbares, modulares Detektorsystem, das auf dem tragenden Prinzip einer Compton Kamera beruht. Mit einer Compton Kamera können Energie und Einfallsrichtung prompter Gamma-Quanten gemessen werden. Somit wird unter Verwendung von Halbleiterdetektoren ein kompaktes Kamerasystem für die In-vivo Dosimetrie, also das Überwachen der Dosis direkt vor Ort im Gewebe des Patienten, entwickelt. Dabei stellen sich zahlreiche Herausforderungen an die Entwicklung geeigneter Detektoren und erforderlicher elektronischer Systeme zur Signalerfassung, -filterung, -übertragung und -verarbeitung. Diese sind in den kommenden Jahren Gegenstand der Forschungsarbeit der Dresdner Wissenschaftler.

Zunächst muss der effiziente Nachweis prompter Gammastrahlung in einem speziellen niedrigen Energiebereich (1 MeV – 15 MeV) gelingen. Anschließend geht es um die 3-dimensionale Rekonstruktion der Quellen- bzw. Dosisverteilung, deren Ergebnisse in Echtzeit an den Bestrahlungsplan (pro Fraktion) zurückgemeldet werden sollen. Besonders wichtig für eine spätere breite Anwendung der Neuentwicklung ist die Kompatibilität des Systems mit klinischen Anforderungen.

Das Forschungsprojekt fügt sich auch in die Gesamtkonzeption des im Bau befindlichen neuen Protonentherapiezentrums ein – die Dresdner Forscher und Ärzte bauen auf eine Kombination aus Wissenschaft und Patientenbetrieb bei der Nutzung der gemeinsam von Universitätsklinikum, Medizinischer Fakultät und dem Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf getragenen Anlage. Darin wird ein Behandlungsraum für die Patientenversorgung eingerichtet, daneben wird in Dresden der gleiche Strahl in einem zweiten Raum als Referenzstrahl zur Entwicklung von neuer, kostengünstigerer Laser-basierter Partikeltherapie und weiterer innovativer Bestrahlungstechnologien verwendet. Die Dresdner Forschung ist in diesem Bereich mehrfach von internationalen Experten herausragend begutachtet worden.

Kontakt:
Medizinische Fakultät Carl Gustav Carus an der TU Dresden
Nationales Zentrum für Strahlenforschung in der Onkologie – OncoRay
Dr. Uwe Dersch
Tel. (0351) 458 7414
E-Mail: Uwe.Dersch@OncoRay.de