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Förderbeginn 01.01.2016

Untersuchung Protonen-basierter Bildgebung als Modalität zur Protonen-Bestrahlungsplanung und bildgeführten Protonentherapie

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Im Rahmen der weltweiten Verbreitung von Protonen-Krebsbehandlungszentren (ca. 50), wird derzeit intensiv geforscht, um neuartige bildgebende Verfahren zu etablieren, die in der Lage sind, eine genaue Abschätzung der Protonenstrahl-Reichweite in den Patienten zu bestimmen, um die klinischen Vorteile der Protonentherapie völlig ausnutzen zu können. Der derzeitige Einsatz von Röntgenbildern als Grundlage für das Patientenmodell in der Bestrahlungsplanung und Bildführung in der Protonentherapie trägt wesentlich zur Protonenreichweiteunsicherheit bei. Bei protonen-basierter Bildgebung wird erwartet, dass diese Reichweiteunsicherheiten verringert werden und auch eine anatomische Führung bei deutlich niedrigerer Bildgebungsdosis zu erreichen ist. Dieses von BaCaTeC unterstützte Projekt beabsichtigt eine systematische Untersuchung der potenziellen klinischen Nutzung von Protonen-Computertomographie (pCT). Ziel des Projektes ist zweifach: Zum einen eine detaillierte Performance-Studie eines echten präklinischen Scanners auf der Grundlage des fortgeschrittenen Phase-II-Prototyps, der von der Loma Linda University (LLU) gebaut wurde und in Betrieb ist. Dafür werden LMU-Computersimulationen erweitert, um alle Designparameter eines echten Scanners (vor allem der LLU-Scanner) zu berücksichtigen und deren Auswirkungen auf die Bildgebung zu erfassen. Auf der anderen Seite soll eine experimentelle Vergleichskampagne der verschiedenen relevanten Bildgebungsverfahren (Röntgen-CT, Dual-Energy-CT, spektralen CT, Protonen CT) durchgeführt werden.

Abschlussbericht
Im Rahmen dieses von BaCaTeC geförderten Projekts wurden drei Besuche von Dr. Dedes (Kooperationspartner Bayern) zu den Partnern in Kalifornien durchgeführt.

Dr. Dedes besuchte während des ersten Besuchs im Dezember 2016 Prof. Dr. Schulte und Dr. Bashkirov an der Loma Linda Universität (LLU). Die dort durchgeführte Arbeit beschäftigte sich mit der Kalibrierung des Protonen-CT (pCT) Scanners und der Modellierung des Scanners in einer Monte Carlo (MC) Simulation. Dies ermöglichte eine umfassende und realistische Simulation des gesamten pCT Scanners zum besseren Verständnis von experimentellen Herausforderungen und zum Design neuer Studien. Darüber hinaus wurde ein neues Ziel zur Untersuchung von Fluenzmodulierter pCT (FMpCT) definiert.

Dr. Dedes besuchte während des zweiten Besuchs im September 2017 erneut Prof. Dr. Schulte und Dr. Bashkirov an der Loma Linda Universität (LLU) und anschließend Prof. Dr. Johnson an der Universität von Kalifornien in Santa Cruz (UCSC). Im Rahmen dieses Besuchs wurde die Entwicklung der MC Simulationsplattform vervollständigt und vorgestellt. Zudem wurde ein Datenaustausch zur experimentellen Rohdatenverarbeitungssoftware ermöglicht, womit nun ein einheitliches Softwarepaket für experimentelle Daten und Simulationen zur Verfügung steht. Darüber hinaus wurde ein erstes Experiment zur Demonstration der FMpCT durchgeführt. Im November 2017 besuchten Dr. Dedes und Dr. Landry im Rahmen eines dritten Besuches Prof. Dr. Schulte und Prof. Dr. Johnson und führten das geplante FMpCT Experiment im Klinikum des Northwestern Medicine Chicago Proton Centers durch.

Aus den wissenschaftlichen Arbeiten in den Jahren 2016 und 2017 gingen die folgenden Publikationen hervor:

1. Two dimensional noise reconstruction in proton computed tomography using distance-driven filtered back-projection of simulated projections, Phys Med Biol. 2018 Oct 2

2. Experimental fluence-modulated proton computed tomography by pencil beam scanning, Med Phys. 2018 Jul;45(7):3287-3296

3. Application of fluence field modulation to proton computed tomography for proton therapy imaging, Phys Med Biol. 2017 Jul 12;62(15)

4. Software platform for simulation of a prototype proton CT scanner, Med Phys. 2017 Mar;44(3)

Schlussendlich sind nun alle experimentellen Schritte erfolgt, um einen umfassenden Vergleich zwischen pCT und Röntgen-CT (DECT) zu ermöglichen.