Dynamisch statt statisch: Mit dem Nadelstrahlverfahren gegen Bewegungsunsicherheiten

Das Pencil Beam Scanning oder auch Nadelstrahlverfahren ermöglicht eine sehr gezielte Bestrahlung von Tumorregionen mit Protonen – und damit eine größtmögliche Schonung des gesunden Normalgewebes. Eine besondere Herausforderung stellen jedoch solche Tumoren dar, die sich während der Bestrahlung bewegen, beispielweise aufgrund der Atmung. Die Folge: der so genannte „Interplay“-Effekt, also das Zusammenspiel von Bewegungen zwischen Tumor und Strahlen, der in der Folge schlimmstenfalls lokale Über- oder Unterdosierungen im Behandlungsgebiet verursachen kann. Eine Studie der Klinik für Partikeltherapie am WPE, an der unter anderem das Universitätsklinikum Essen, das Westdeutsche Tumorzentrum (WTZ) und die Technische Universität Dortmund beteiligt sind, testet derzeit die Möglichkeit, Dosisberechnungen auf Basis eines zeitaufgelösten Computertomogramms (4D CT) durchzuführen. Mit der Einführung der so genannten „Repainting“-Methode wird darüber hinaus eine optimierte Dosisverteilung auch unter dynamischen Bedingungen sichergestellt.

Einer der wichtigsten Vorteile von Protonen ist ihre so genannte „energieabhängige Eindringtiefe“. Das bedeutet: Protonen geben erst unmittelbar im Tumor selbst und nicht schon im umliegenden Gewebe ihre maximale Strahlendosis ab („Bragg-Peak“). Grundlage für die exakte Berechnung des Zielvolumens ist dabei jeweils eine Computertomografie-Aufnahme. „Über ein normales CT und die Standardfunktionalität im Bestrahlungsplanungssystem lassen sich jedoch Atembewegungen und deren Einfluss auf die Behandlung nicht eindeutig darstellen“, erklärt Dr. Jörg Wulff, Medizinphysik-Experte am WPE. Das eigentliche Potenzial der Protonen – ihre gezielte Treffsicherheit – kann also bei etwaigen Organbewegungen bislang nicht in voller Gänze genutzt werden. „Tatsächlich können Bewegungen zwischen dem Tumor und dem magnetisch geführten Protonenstrahl zu Abweichungen der Dosisverteilung vom ursprünglichen Behandlungsplan führen. Wir sprechen hier vom ,Interplay‘-Effekt: Bewegt sich das Tumorvolumen aufgrund der Atmung mit der Scanning-Richtung, erhält es eine teils erhöhte Dosis (,Hot Spot‘). Bewegt es sich entgegengesetzt, wird das ein Teil des Tumorvolumens unterdosiert (,Cold Spot‘).“

Verifikations-CT

„Repaintings“ sind dann von Vorteil, wenn sich Tumoren aufgrund der Atmung während der Bestrahlung bewegen. Die Methode ist hingegen nicht angezeigt, um anatomische Veränderungen zwischen mehreren Sitzungen auszugleichen. Diese werden – etwa bei HNO-Tumoren – über regelmäßige Verifikations-CT dokumentiert und in die aktuellen Bestrahlungspläne eingerechnet.

Um ein optimales Ergebnis zu erzielen, müssen ideale Bestrahlungspläne auch solche Unsicherheiten berücksichtigen. Dazu sind jedoch technische Anpassungen notwendig. Dr. Wulff: „Normalerweise legen unsere Berechnungen auf Grundlage des CT einen statischen Patienten zugrunde; die Zeit oder Atemphasen werden nicht mitberechnet. In unserer aktuellen Studie testen wir nun eine Software, die zeitaufgelöste Berechnungen auf Basis einer 4D-Computertomografie möglich macht.“ Das Ziel: die möglichst exakte Berechnung einer dynamischen Dosis, über die sich die Bewegungseffekte während der Bestrahlung vorhersagen und somit durch die Wahl der Bestrahlungsparameter minimieren lassen. „Wir berechnen zu jedem Zeitpunkt: Wo ist der Strahl? Wo ist der Patient mit seiner Atmung? Zeitintervalle und Atemphasen werden also in die Ermittlung der Gesamtdosis mit einbezogen.“ Noch befindet sich das Software-Modul im Forschungsstadium; die Zertifizierung für Bestrahlungsplanungs-Systeme ist der nächste logische Schritt im Verfahren. Eingebunden in die Studie ist daher neben Experten und Expertinnen aus der Medizinphysik auch das Unternehmen RaySearch Laboratories, das Computerprogramme für die Radiotherapie entwickelt.

Eine weitere Methode, um das Nadelstrahlverfahren sicher auch in solchen Tumorregionen einsetzen zu können, die leichten Atemschwankungen unterliegen, ist das so genannte „Repainting“: Anstatt ein Feld ein einziges Mal mit der Gesamtdosis abzustrahlen, wird diese in Teildosen aufgeteilt und die Tumorregion mehrfach vom Protonenstrahl erfasst. „Auf diese Weise können wir die Dosisverzerrungen, die sich aufgrund der Organbewegungen ergeben können, herausmitteln bzw. verschmieren. Im Mittel sind dann also Patientengeometrie und Treffpunkt genauso, wie sie für eine erfolgreiche Therapie sein sollte.“ resümiert Dr. Wulff. Zwischen drei und fünf „Repaintings“, das haben die bisherigen Erfahrungen am WPE gezeigt, sind dabei im Hinblick auf die Gesamtbehandlungszeit akzeptabel. Außerdem– dies zeigen Vorstudien der WPE-Medizinphysiker – wird hierdurch der „Interplay“-Effekt effektiv unterdrückt. Diese Vorstudien erfolgten in Zusammenarbeit mit der TU Dortmund, fokussierten sich auf Leberzellkarzinome und betrachteten auch Tumorlokalisationen im Thorax. Bislang wurden am WPE bereits neun Patienten mit der „Repainting“-Methode behandelt. Dr. Jörg Wulff dazu: „Wir sind sehr stolz darauf, dass wir mit dieser Entwicklung als einer der wenigen Orte eine der modernsten Techniken der Protonentherapie anbieten können“.