Magnetresonanztomographie geführte Protonentherapie

Magnetresonanztomographie (MRT) ist eine nicht invasive Bildgebungsmethode, die in den letzten Jahren massiv an Bedeutung gewonnen hat. Die Verwendung von MRT nahm neben den ursprünglichen Anwendungsgebieten in der Diagnostik auch in anderen Gebieten stark zu, wie zum Beispiel in der Radioonkologie bzw. Strahlentherapie. Die bildgeführte Radiotherapie (IGRT) ist ein interdisziplinäres Forschungsfeld und beruht auf der Überwachung der Lagerungsposition, sowie den anatomischen Gegebenheiten des Patienten am Behandlungstag, relativ zum Tag der Therapieplanung. Die meisten Verfahren in der IGRT basieren auf Röntgenstrahlung. Neben der begrenzten Bildqualität des Weichteilgewebes mit der röntgenbasierten Bildgebung ist die zusätzliche Dosisbelastung für den Patienten von Nachteil. Der verbesserte Kontrast der MRT, ohne zusätzlicher Strahlenbelastung für den Patienten, hat zu diversen Entwicklungen in der MRT-geführten Strahlentherapie geführt, wobei sich die derzeitigen klinischen Lösungsansätze auf die Radiotherapie mittels Photonenstrahlung beschränken. Als Alternative zur Photonenstrahlung können auch Teilchenstrahlen (Protonen oder Kohlenstoffionen) für die Radiotherapie verwendet werden, welche aufgrund ihrer physikalischen und biologischen Eigenschaften noch effektiver und präziser sind. Die Verbindung von MRT und Teilchentherapie ist ein gänzlich neues Forschungsfeld, mit zahlreichen Fragestellungen, die noch detailliert untersucht werden müssen. Prinzipiell werden die beschleunigten geladenen Teilchen im Magnetfeld, welches zur Bildgebung verwendet wird, abgelenkt. Dieser Effekt muss während der Bestrahlungsplanung berücksichtigt werden. Im Rahmen von MAGIG-PRO werden unterschiedliche Magnetfeldstärken untersucht, um neue Modelle zur Dosisberechnung für Protonenstrahlung in Magnetfeldern zu etablieren. Die Verwendung von MRT Bildern zur Dosisberechnung, anstatt der bisher verwendeten Computertomographien (CT), hätte noch weitere theoretische Vorteile in der Teilchentherapie. Diese Verfahren würden die Genauigkeit der Dosisberechnung weiter erhöhen; wobei diesbezügliche Studien nur sehr limitiert vorhanden sind. Daher werden im Rahmen des MAGIG-PRO Projektes Methoden und Algorithmen entwickelt, um das atomare Bremsvermögen direkt aus MRT Bildern für die Dosisberechnung von Protonen abzuleiten. Radiotherapie mittels Teilchenstrahlung, welche die modernste Form der Radioonkologie darstellt, wird in Österreich mit Ende 2016 in Wiener Neustadt im MedAustron Zentrum verfügbar sein. Experimente werden an einem Magneten, der in einem dezidierten Forschungsraum aufgestellt wird, unter klinischen realistischen Bedingungen durchgeführt werden. Um diese sehr aufwändigen Experimente effizient zu gestalten, werden vorab Simulationsrechnungen an einem Computercluster getätigt. MAGIG-PRO beinhaltet verschiedene neuartige Forschungsaspekte, die weit über den Machbarkeitsbeweis von MRT geführter Protonentherapie hinausgehen. Durch die Kooperation zwischen der MedUni Wien und MedAustron stehen diesem Projekt einzigartige experimentelle Voraussetzungen zu Grunde. Mittels der erwarteten Forschungsergebnisse und der erarbeiteten Methoden kann im Bereich der MRT geführter Protonentherapie Themenführerschaft übernommen werden.

Das FWF Einzelprojekt "MAGnetic resonance Imaging (MRI) Guided PROton therapy - MAGIC-PRO" beschäftigte sich mit Grundlagenforschung bzw. Technologienentwicklung in der Medizinischen Strahlenphysik, um hochauflösende Bildgebung mittels Magnetresonanztomographie (MR) mit der präzisen Form der onkologischen Strahlanwendung, der Protonentherapie, zu kombinieren. Das Konzept der MR gestützten Protonentherapie definiert einen neuen Standard der Bildgeführten Radiotherapie. Die Zielsetzung des MAGIC-PRO Projekts war einerseits, Methoden und Algorithmen zu entwickeln, um Dosisberechnung und Bestrahlungsplanung für die Protonentherapie auf synthetischen Computertomographie (CT) Datensätzen durchführen zu können, welcher ihrerseits aus MR Daten gewonnen werden. Für die Erzeugung synthetischer CTs, die aufgrund ihrer inhärenten Dichteinformation für die Dosisberechnung benötigt werden, wurde der Fokus auf KI (künstlichen Intelligenz) basierte Methoden gelegt. Der zweite Forschungsaspekt beinhaltete die Entwicklung eines analytischen Dosisberechnungsalgorithmus für die Therapieplanung von Protonenstrahlung in Magnetfeldern. Diese Entwicklungen basierten auf einem komplexen Nadelstrahlmodel. Im Gesamtkontext des MAGIC-PRO Projekts wurden zahlreiche dosimetrische Studien durchgeführt, um den entwickelten Dosisberechnungsalgorithmus experimentell verifizieren zu können. Zusätzlich wurde ein Workflow für die Patientenbehandlung mittels MR gestützter Protonentherapie erprobt, der von der MR Bildgebung, der Erzeugung synthetische CT Datensätze bis hin zur dosimetrischen Analyse von Bestrahlungsplänen reicht. Dieser Workflow demonstrierte die potentielle Umsetzung der MR gestützten Protonentherapie basierend auf einem Offenen Niedrigfeld MR Scanner. Zu Beginn des MAGIC-PRO Projektes 2017 befand sich das Thema der MR gestützten Protonentherapie noch in den Anfängen. In der Zwischenzeit widmen sich einige führende Europäische Forschungszentren diesem Forschungsfeld. Mit Hilfe dieses FWF Projektes, der von MedAustron zur Verfügung gestellten Strahlzeit, sowie der vorhandenen Forschungsinfrastruktur inklusive Forschungsmagnet, konnten von den über das Projekt finanzierten Doktoranden nennenswerte Forschungsleistungen und -beiträge in folgenden Bereichen erzielt werden: (1) Berechnung synthetische CTs basierend auf MR Datensätzen inklusive Qualitätssicherung, (2) Dosisberechnung und Therapieplanung von Protonen in Magnetfeldern, sowie (3) der experimentellen Dosimetrie in Magnetfeldern. Die vielversprechenden Resultate und Entwicklungen des MAGIC-PRO Projektes haben die internationale Sichtbarkeit der Ionentherapieforschung in Österreich erhöht. Basierend auf den Eigenentwicklungen und der Expertise, welche durch das Projekt aufgebaut werden konnte, ergaben sich für Forscher der Medizinischen Universität Wien internationale Kooperationsmöglichkeiten bezüglich der MR gestützter Protonentherapie.