Ein faseroptisches Dosierungsbildgebungssystem für die Strahlentherapie bei Krebs
Mehr als die Hälfte der Menschen in Europa, bei denen Krebs diagnostiziert wird, benötigt eine Form der Strahlentherapie. Da das Medikament genau dort verabreicht wird, wo es benötigt wird, sind geringere Dosen erforderlich, und schädliche Nebenwirkungen werden reduziert. Die Strahlenbehandlung von Krebs ist durch ein als Brachytherapie bekanntes Verfahren, bei dem radioaktives Material direkt in den Bereich des Krebsgewebes eingebracht wird, sehr viel stärker lokalisiert geworden. Dennoch muss diese Intervention in Echtzeit überwacht werden. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts ORIGIN wurde ein innovatives photonikbasiertes Bildgebungs- und Lokalisierungssystem für die Strahlentherapie entwickelt, mit dem das Risiko von Behandlungsfehlern deutlich gesenkt und die Ergebnisse für die Betroffenen verbessert werden. „Bei der Entwicklung des ORIGIN-Systems standen stets die Betroffenen im Vordergrund und die technischen Teams arbeiteten eng mit den klinischen Teams zusammen, um sicherzustellen, dass es so konzipiert wurde, dass es den Bedürfnissen der Betroffenen entspricht“, erklärt Sinéad O’Keeffe, Royal Society – Science Foundation Ireland University, Forschungsstipendiatin an der University of Limerick und Koordinatorin des Projekts ORIGIN.
Photonikgestützte Brachytherapie
Zur Messung der Strahlung entwickelte das Team faseroptische Sensoren, bei dem ein spezielles strahlungsempfindliches Material, ein sogenannter Szintillator, verwendet wird, der die Strahlung in sichtbares Licht umwandelt. Das Detektorsystem misst das von den optischen Fasern ausgesandte Licht. Es basiert auf einem 16-Kanal-Array, mit dem die Strahlendosis an mehreren Punkten gleichzeitig gemessen werden kann. Das Mehrkanal-Detektorsystem verwendet eine spezielle Technologie, den sogenannten Silizium-Photomultiplier, der die Detektion oder das „Zählen“ einzelner Photonen ermöglicht. „Dies bietet sowohl die Empfindlichkeit als auch den Bereich, die für verschiedene Brachytherapie-Behandlungen erforderlich sind“, so O‘Keeffe. „Wenn die szintillierende Spitze des faseroptischen Sensors ionisierender Strahlung ausgesetzt wird, sendet sie Lichtphotonen aus, die sich entlang der Glasfaser zum Detektorsystem bewegen.“
Verbesserung der Genauigkeit durch künstliche Intelligenz
Die genaue Platzierung und Messung der radioaktiven Quelle während der Brachytherapie ist von entscheidender Bedeutung, sowohl um die für das Zielgebiet verordnete Dosis zu gewährleisten als auch um eine minimale Exposition der umliegenden Organe sicherzustellen. Hier setzte das Team künstliche Intelligenz ein, um die Position der Strahlungsquelle zu bestimmen, indem es die von den faseroptischen Sensoren gemessenen Dosen analysierte und diese Daten mit der Position der Sensoren kombinierte. Anschließend kann eine Wärmekarte erstellt werden, die, wenn sie mit dem CT- oder Ultraschallbild der behandelten Person überlagert wird, die Position und Dosis der empfangenen Strahlung bestätigt.
Von ORIGIN bis zur klinischen Validierung
Im Rahmen des Projekts konstruierte das Team 3D-gedruckte Modelle des menschlichen Beckenbereichs, sodass für die Untersuchungen zur Überprüfung und Entwicklung des Systems keine menschlichen Testpersonen notwendig waren. Die Prototypen des ORIGIN-Systems wurden von den drei klinischen Partnern des Projekts, der Blackrock Health Galway Clinic, dem Northern Ireland Cancer Centre und dem University Central Hospital of Asturias, klinisch bewertet. „Das ORIGIN-Gesamtsystem ist das wichtigste verwertbare Ergebnis des Projekts, das erhebliche klinische Auswirkungen hat“, so O‘Keeffe. Einige Einzelaspekte haben jedoch über den ursprünglichen Rahmen hinaus Anwendung gefunden. Der nächste Schritt besteht darin, das ORIGIN-System zur klinischen Validierung zu bringen. „Bei unserer engen Zusammenarbeit mit den klinischen Teams wurde uns immer wieder vor Augen geführt, welche Auswirkungen dieses System auf die Ergebnisse der Brachytherapie für die Betroffenen haben würde“, sagt O'Keeffe. „Daher ist das gesamte Team bestrebt, das System in Krankenhäusern in ganz Europa einzuführen, und wird sich weiterhin für dieses Ziel einsetzen.“
Schlüsselbegriffe
ORIGIN, Krebs, Behandlung, künstliche Intelligenz, Brachytherapie, optisch, Photonik, klinisch
