Monte-Carlo-Simulationen
für die Behandlungsplanung in der Strahlentherapie

Krebs steht in den Industriestaaten an zweiter Stelle der Todesursachen. Etwa die Hälfte aller Krebspatienten erhalten Strahlentherapie. Neben der herkömmlichen Behandlung mit Gamma-Strahlung setzt sich die Teilchen- oder Partikeltherapie, also eine Bestrahlung mit Protonen oder Kohlenstoff-Ionen, immer mehr durch. Diese bietet den Vorteil, die eingestrahlte Dosisverteilung aufgrund des in einer bestimmten Tiefe auftretenden sogenannten Bragg-Peaks deutlich besser auf den Tumor konzentrieren zu können.

Dabei ist eine möglichst genaue Behandlungsplanung unabdingbar: Aus den Vorgaben der Arztes und Aufnahmen bildgebender Verfahren (Computertomorgraphie, Positronen-Emissions-Tomographie etc.) erstellt ein Medizinphysiker mithilfe eines speziellen Computerprogramms einen optimalen Bestrahlungsplan. Dieser stellt sicher, dass der Tumor zerstört (hohe Strahlendosis), aber das gesunde Gewebe möglichst geschont (minimale Strahlendosis) wird. Dazu muss die Software berechnen, welche räumliche Dosisverteilung aus dem berechneten Bestrahlungsplan resultiert. Die dazu verwendeten Algorithmen basieren meist auf einer vereinfachenden Parametrisierung des Energieverlustes der verwendeten Strahlung im menschlichen Gewebe.

Als Alternative dazu möchten wir Monte-Carlo-Simulationen zur Behandlungsplanung einsetzen. Dabei werden einzelne einfallende Teilchen detailliert mit all ihren Wechselwirkungen mit der durchstrahlten Materie simuliert. Dies erlaubt zusätzlich zur genaueren Berechnung der deponierten Energiedosis eine Vorhersage der Abstrahlung von Sekundärteilchen im Körper, die z.B. zum Monitoring noch während der Behandlung dienen können. Dabei setzen wir das in der Elementarteilchenphysik weit verbreitete Paket GEANT4 ein, welches wir zum Einsatz bei den vergleichsweise geringen Teilchenenergien validieren und gegebenenfalls durch genauere Daten ergänzen möchten. Dazu führen wir Messungen von Kern-Wirkungsquerschnitten durch.

Dieses Forschungsprojekt wird vom III. Physikalischen Institut in Zusammenarbeit mit der Klinik für Strahlentherapie am Universitätsklinikum Aachen durchgeführt.