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Neue Softwaresysteme für eine schonende Strahlentherapie von Krebs

Ziel des neuen großen Kooperationsprojektes SPARTA ist die Entwicklung adaptiver, intelligenter und flexibel erweiterbarer Softwaresysteme für eine verbesserte Strahlentherapie von Krebskrankheiten. Maßgeblich daran beteiligt ist das Heidelberger Institut für Radioonkolologie HIRO, ein Zusammenschluss aller in Heidelberg auf dem Gebiet der Strahlentherapie tätigen Institutionen.

Das Leitungsgremium von HIRO: Prof. Dr. Wolfgang Schlegel (links) und Prof. Dr. Dr. Jürgen Debus (rechts). Das Foto entstand 2001, als beide für ihr Projekt „Optimierte intensitätsmodulierte Strahlentherapie“ den Deutschen Zukunftspreis des Bundespräsidenten erhalten hatten. © DKFZ

Am 1. April 2013 startete das Forschungsprojekt „Softwareplattform für die adaptive multimodale Radio- und Partikel-Therapie mit autarker Erweiterbarkeit“ (SPARTA). In diesem entwickeln Wissenschaftler aus zehn deutschen Einrichtungen neuartige Softwaresysteme, um die radioonkologische Behandlung krebskranker Patienten zu verbessern und die Mediziner bei der Planung und Durchführung der Strahlentherapie zu unterstützen. Ein Drittel der vom Bundesministerium für Bildung und Forschung zur Verfügung gestellten Fördersumme in Höhe von acht Millionen Euro entfallen auf HIRO, das Heidelberger Institut für Radioonkologie, in dem die Abteilungen für Strahlentherapieforschung am Deutschen Krebsforschungszentrum (DKFZ), am Universitätsklinikum Heidelberg und am Heidelberger Ionenstrahltherapiezentrum (HIT) zusammengefasst worden sind.

Eine schwierige Gratwanderung

Strahlentherapie ist neben Chirurgie und Chemotherapie die wichtigste Behandlungsform, die bei Tumorerkrankungen eingesetzt wird; etwa jeder zweite Krebspatient wird heute mit hochenergetischen Photonen oder Ionenstrahlen behandelt. Ziel ist es, den Tumorzellen eine so hohe Strahlendosis zu verabreichen, dass sie zerstört werden, ohne dass das umliegende gesunde Gewebe geschädigt wird. Das bedeutet eine schwierige Gratwanderung, besonders bei bösartigen Tumoren, die in oder unmittelbar neben sehr strahlenempfindlichen Organen liegen, wie den Augen, dem Gehirn und Rückenmark oder der Lunge. Forscher wie Prof. Dr. Wolfgang Schlegel in der Abteilung Medizinische Physik in der Strahlentherapie des DKFZ arbeiten seit Jahrzehnten an der stetigen Verbesserung der eingesetzten Methoden. Unter seiner Leitung wurden in Zusammenarbeit mit Medizintechnik-Unternehmen hochkomplexe Kollimatoren entwickelt, mit denen mehrere oder viele Strahlenbündel abgelenkt und so ausgerichtet werden können, dass sie den Tumor aus unterschiedlichen Richtungen treffen und das umliegende Gewebe weitgehend schonen.

Multi-Leaf-Kollimator, eine computergesteuerte Strahlenblende © DKFZ

Bei der Behandlung von Tumoren in der Umgebung empfindlicher Gewebe setzen die Radioonkologen heute meist die sogenannte „intensitätsmodulierte“ Strahlentherapie ein. Dabei werden die aus verschiedenen Richtungen kommenden Teilstrahlenbündel individuell dosiert. Ihre Intensität wird so berechnet, dass das Tumorgewebe durch Überlagerung der Strahlen die maximale Strahlungsdosis erhält, während das gesunde Gewebe nur wenig belastet wird. Im Einzelfall ist dieses Ziel oft nur sehr schwer zu erreichen. Die Patienten müssen im Verlauf der Behandlung mehrfach bestrahlt werden. Das kann sich über Wochen hinziehen, und in dieser Zeit verändern sich der Körper des Patienten und der Tumor. Hinzu kommen die Eigenbewegungen des Körpers während einer Bestrahlung, beispielsweise durch die Atmung des Patienten.

SPARTAs Projektziele

Mit dem Forschungsprojekt SPARTA haben sich die Wissenschaftler zum Ziel gesetzt, diese Schwierigkeiten mit der Entwicklung neuartiger Softwaresysteme zu meistern und die Strahlentherapie wirksamer, sicherer und für den Patienten schonender zu machen. Das Fraunhofer-Institut für Bildgestützte Medizin als Koordinator von SPARTA fasst die Projektziele wie folgt zusammen:

  • Genaue Erfassung der Variationen. Computergestützte Bildgebungs- und Sensorsysteme sollen jede Veränderung der Anatomie des Patienten während der Behandlungsdauer und im Verlauf einer Bestrahlung messen.
  • Präzise Abschätzung der Dosis. Eine Software soll alle Variationen mit dem ursprünglichen Bestrahlungsplan abgleichen und eine zuverlässige Bestimmung der den Tumor erreichenden gesamten Strahlungsdosis ermöglichen.
  • Intelligente Anpassung des Bestrahlungsplans. Das Programm soll sich den gemessenen Variationen sensibel anpassen und individuelle Veränderungen während der Behandlung voraussagen. Die Planung soll zudem adaptiv und flexibel angepasst und für Neuentwicklungen erweiterbar sein.
  • Detailanalyse des Tumors. Es wird nicht nur die Position des Tumors durch Computertomographie bestimmt, sondern auch seine Struktur und Aktivität mittels funktioneller Magnetresonanztomographie oder Positronen-Emissions-Tomographie. Der Nutzen dieser Verfahren für eine präzisere und effizientere Strahlentherapie soll ermittelt werden.

Optimierung der Strahlentherapie

Darstellung der kritischen Dosisverteilung eines um das Rückenmark herumwachsenden Tumors. © DKFZ

SPARTAs Projektziele fügen sich hervorragend in die erklärten Zielsetzungen von HIRO ein: die Verbesserung der Therapie von Krebskrankheiten durch eine physikalisch und molekularbiologisch optimierte Strahlentherapie. Im Rahmen dieses großen Kooperationsprojektes haben die Heidelberger Forscher definierte Aufgaben übernommen. Am DKFZ werden Algorithmen und Software entwickelt, die anhand der täglich durchgeführten Untersuchungen durch Bildgebungsverfahren errechnen, wie hoch die tatsächliche Strahlendosis ist, die ein Patient im Verlauf der Therapie erhalten hat.

Abweichungen der Position verschiedener Tumoren, etwa im Kopf-Hals-Bereich, zwischen den einzelnen Bestrahlungsterminen, die durch klinische Untersuchungen festgestellt werden, sollen mit Hilfe automatisierter Korrektursysteme ausgeglichen werden. In klinischen Studien werden die Radioonkologen vom DKFZ und Universitätsklinikum prüfen, wie sie bei Prostatakrebs mit verschiedenen Arten der Bildgebung die Bestrahlungsplanung optimieren können. Projektleiter von SPARTA für das DKFZ ist der Strahlenmediziner Dr. Dr. Christian Thieke; für die Universität und das HIT ist es Prof. Dr. Dr. Jürgen Peter Debus, Ärztlicher Direktor der Abteilung für Klinische Radiologie / Strahlentherapie am Universitätsklinikum Heidelberg.

Nationales Zentrum für Strahlenforschung in der Onkologie

Der Postgraduierten-Studiengang "Advanced Physical Methods in Radiotherapy" (APMR) vermittelt neben der Theorie auch praktisches Wissen. © HIRO

Debus leitet zusammen mit Schlegel auch das Heidelberger Institut für Radioonkologie HIRO, das in seiner Kombination von Forschungseinrichtungen auf dem Gebiet der Strahlenmedizin auch international herausragt. Seine Aktivitäten reichen von der Grundlagenforschung über die Durchführung klinischer Studien bis zur klinischen Versorgung und umfassen alle dafür notwendigen Bereiche der diagnostischen und therapeutischen Radioonkologie, der Strahlenphysik, Medizininformatik und Strahlenbiologie. Mitarbeiter von HIRO sind außerdem maßgeblich am Postgraduierten-Studiengang der Medizinischen Fakultät Heidelberg „Advanced Physical Methods in Radiotherapy (APMR)“ beteiligt.

Im Jahr 2010 wurde HIRO, gemeinsam mit dem OncoRay Zentrum, einer gemeinsamen Einrichtung der Technischen Universität, des Universitätsklinikums Dresden und des Forschungszentrums Dresden-Rossendorf, von der Bundesministerin für Bildung und Forschung zum „Nationalen Zentrum für Strahlenforschung in der Onkologie“ ernannt. Die beiden Standorte ergänzen sich hervorragend. Nach den Worten von Prof. Dr. Dr. h.c. Otmar Wiestler, dem Vorstandsvorsitzenden des DKFZ, bilden sie gemeinsam das gesamte Spektrum der Strahlentherapieforschung ab. Solche strategischen Partnerschaften, in die auch die Industrie einbezogen werden muss, seien notwendig, um im internationalen Wettbewerb bestehen zu können.

Diesem Ziel dient auch das Kooperationsvorhaben SPARTA, in das neben anderen akademischen Partnern auch OncoRay eingebunden ist. Darüber hinaus sind Industrieunternehmen an SPARTA beteiligt, unter anderem der Siemens-Konzern und die Precisis AG, ein kleines Medizintechnik-Unternehmen aus Walldorf bei Heidelberg, das in Kooperation mit dem DKFZ hochpräzise Geräte und Software für die Strahlenchirurgie entwickelt.

Seiten-Adresse: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/fachbeitrag/aktuell/neue-softwaresysteme-fuer-eine-schonende-strahlentherapie-von-krebs