Ionoakustik

Das Gebiet der Ionoakustik befasst sich mit der online Verifizierung eines Bestrahlungsplans bei der Protonen- und Ionenstrahltherapie. Potentiell kann durch die Messung von ionoakustischen Signalen während einer Bestrahlung und deren Laufzeit durch den Körper das theoretisch berechnete Bestrahlungsfeld mit dem tatsächlichen Bestrahlungsfeld in Echtzeit abgeglichen werden.

Einer der großen Vorteile der Protonen- und Ionenstrahltherapie ist ihre charakteristische Dosisverteilung, bei der der Großteil der Dosis am sogenannten Bragg-Peak am Ende ihrer Reichweite und idealerweise im Tumor abgegeben wird. Die Umsetzung dieses Bestrahlungsziels ist fehleranfällig, weil die exakte Position des Bragg-Peaks von vielen Faktoren, wie z.B. der Patientenpositionierung oder von geringfügigen Änderungen in der Anatomie abhängig ist. Bei der Erstellung eines Bestrahlungsplans für eine Tumortherapie ist es daher üblich, die zu bestrahlende Tumorregion durch große Fehlergrenzen absichtlich zu vergrößern, um sicher zu stellen, dass die Tumorregion mit ausreichend Dosis bestrahlt wird. Dadurch wird nahe am Tumor gelegenes Normalgewebe mitbestrahlt, was erhöhte Nebenwirkungen zur Folge hat. Die Ionoakustik kann dazu beitrage diese Fehlergrenzen zu verkleinern und die exakte Position des Bragg-Peaks in Echtzeit während der Bestrahlung zu messen.

Durch die Energiedeposition des Protonen- oder Ionenstrahls am Bragg-Peak kommt es zu einer lokalen Temperaturerhöhung und dadurch zu einer lokalen Druckerhöhung. Nach der Propagation dieses Drucks durch den Körper kann er als Ultraschallwelle mithilfe von geeigneten Sensoren detektiert werden. Die Flugzeit der Ultraschallwelle vom Bragg-Peak bis zum Sensor kann aus den gemessenen Signalen extrahiert werden und wird verwendet um den Abstand zwischen Bragg-Peak und Sensor zu berechnen. In Kombination mit einem live Ultraschallbild von der bestrahlten Region kann die Bragg-Peak-Position direkt im Ultraschallbild relativ zu umliegenden Organen markiert werden.

Eine große Herausforderung bei der Detektion von ionoakustischen Signalen ist das niedrige Signal-Rausch-Verhältnis (SNR). Die aktuelle Forschung beschäftigt sich hauptsächlich mit der Optimierung der Strahlparameter (z.B. Pulsdauer, Pulsform und Strahlstrom), um bei konstanter Dosis einen möglichst großen SNR zu erreichen. Zusätzlich werden die Signale in einem Nachbearbeitungsverfahren entrauscht um das SNR weiter zu erhöhen. So ist es möglich in homogenen Phantomen bei klinisch relevanten Dosen Reichweitenverifizierungen im Submillimeterbereich zu erreichen.

Zukünftige Aufgabe des Forschungsfeldes wird es sein, diese Methodik auf menschenähnliche Phantome mit Heterogenitäten zu übertragen und so die klinische Einsetzbarkeit der Ionoakustik zu zeigen.