Bestrahlungsplanung- und Evaluierungssystem für Brachytherapie des Aderhautmelanoms

MOTIVATION Eine mögliche Behandlungsmethode des Aderhautmelanoms ist die Brachytherapie mittels episkleralen Plaques, welche 106Ru, 125I, 103Pd oder 192Ir Quellen enthalten. Im Gegensatz zur externen Strahlentherapie gibt es dafür nur wenige Computerprogramme, welche zudem beträchtliche Einschränkungen bezüglich der vorausgehenden oder retrospektiven Behandlungsplanung haben, die auf der Basis der berechneten, dreidimensionalen (3D) Dosisverteilung im Tumor und den angrenzenden, kritischen Strukturen des Auges ermöglicht wird. Dieses Projekt hat das Ziel hierfür ein 3D-Planungssystem zu entwickeln, das sowohl Gamma- als auch Betaemitter handhabt. Des Weiteren wird eine Softwareplattform für die Überprüfung von Bestrahlungen des Aderhautmelanoms geschaffen, welche die Daten der derzeit verfügbaren Behandlungsmethoden (z.B. Brachytherapie und externe Strahlentherapie) anhand strahlenbiologischer Modellierung auf die gleiche radioonkologische Größe konvertiert. METHODIK Das Funktionsprinzip des 3D-Planungssystems besteht aus folgenden Schritten: (i) die halb-automatische Segmentierung des Tumors und kritischen, okularen Strukturen auf den Magnetresonanzbildern, womit eine den Rand der einzelnen Strukturen beschreibende, binäre 3D-Matrix produziert wird, (ii) die nicht-uniforme Deformierung eines vordefinierten, okularen SubD Modells, das nunmehr der individuellen Anatomie des Patienten entspricht, vollständig segmentiert ist und in jede Voxelgröße diskretisiert werden kann und (iii) die Einbeziehung der episkleralen Plaques in das Computermodell mit anschließender 3D Dosisberechnung im transformierten SubD- Modell anhand der Faltung mit Dosiskernel. Letzteres wird mit begleitenden Monte Carlo Simulationen und experimentellen Dosismessungen validiert. Die Softwareplattform für die Überprüfung von Bestrahlungen des Aderhautmelanoms wird über eine Schnittstelle mit dem 3D Planungssystems verfügen sowie in der Lage sein, Bilder, Strukturen und Dosisinformationen aus anderen Behandlungsmodalitäten wie z.B. der externen Strahlentherapie zu importieren und exportieren. Strahlenbiologische Modellierung normalisieren dann die Behandlungstechniken mit unterschiedlicher Dauer, Dosis pro Fraktion und Dosisleistung zu einem gemeinsamen Fraktionierungsschema. Schließlich wird diese Software auf Datenbanken von Patienten mit Aderhautmelanom angewandt und die Ergebnisse der Dosisberechnungen werden bzgl. ihrer Korrelation mit lokaler Kontrolle, Gesamtüberleben und Toxizität des Normalgewebes untersucht. Die wissenschaftliche Relevanz des Projekts besteht in der Verbesserung der Patientenversorgung durch das 3D- Planungssystem, welches personalisierte Therapie und Prognose im Hinblick auf die Brachytherapie des Aderhautmelanoms ermöglicht. Darüber hinaus ermöglicht die Softwareplattform eine strahlenbiologische Beurteilung der verschiedenen Arten von Strahlentherapien und trägt somit zum besseren Verständnis der Dosis- Wirkungsbeziehung und der Toleranz des Normalgewebes bei. Diese Erkenntnisse werden wiederum zur Optimierung von Therapieprotokollen beitragen, unabhängig von der Behandlungsmethode.

Aderhautmelanome sind die am häufigsten auftretenden Augentumoren mit einer Inzidenzrate von 1/100.000 pro Jahr. Hinsichtlich klinischem Behandlungserfolg erzielt die strahlentherapeutische Brachytherapie mit Ruthenium-Augenapplikatoren exzellente Resultate. Dennoch lag diese Therapiemethode was technologischen Fortschritt angeht bisher weit hinter alternativen Anwendungen in der Linearbeschleuniger-basierten Strahlentherapie. Um eine kontinuierliche Verbesserung der klinischen Nachbeobachtung zu erreichen, muss als Grundlage der Therapieverbesserung die Augenapplikator-basierte Brachytherapie modernen Anforderungen einer 3D bildgeführten Bestrahlungsplanung genügen. Durch derartige volumetrische Beschreibungen des Tumors und der Risikostrukturen, sowie die applizierte Strahlendosis sind wesentliche Parameter ermittelbar. Somit wird es möglich sein, die Abhängigkeit zwischen Dosis und Dosiswirkung zu verstehen. Ein erweitertes Verständnis dieser Beziehung wird eine individuellere Behandlung von Augentumoren mittels Brachytherapie ermöglichen. Im Zuge dieses FWF Projektes wurde eine Forschungsversion einer Planungs-Software für die Ruthenium-Augenapplikator basierte Brachytherapie von Aderhautmelanomen entwickelt. Mithilfe dieser Software können 3D Dosisverteilungen für verschiedene Augenapplikatormodelle berechnet werden. Die zugrundeliegende Dosisberechnung wurde in experimentellen Messungen validiert. In weiteren Studien ist die Robustheit und Genauigkeit dieser Behandlungsmethode untersucht worden, sowohl hinsichtlich chirurgischer und dosimetrischer Unsicherheiten. Die Informationen hieraus wurden genutzt, um Konzepte für Sicherheitssäume zu entwickeln, die auf realistischen dosimetrischen Messunsicherheiten beruhen. Des weiteren sind Methoden zur Optimierung der Bestrahlungsplanung entwickelt und analysiert worden, die dazu beitragen können, die Nebenwirkungen dieser strahlentherapeutischen Behandlung zu minimieren. Um aussagekräftige Empfehlungen für Dosisvorgaben zur Reduktion von Nebenwirkungen geben zu können, bedarf es einer umfassenden Analyse der damit verbundenen Dosis-Wirkungsbeziehung. Die im Rahmen des Projekts entwickelte Software ist in der Lage hierfür einen wesentlichen Beitrag zu leisten. Im letzten Schritt dieses Projektes wurde daher eine retrospektive Patientenstudie durchgeführt, basierend auf Patientendaten der vergangenen 20 Jahre Brachytherapie, welche im AKH Wien bzw. der Medizinischen Universität Wien behandelt wurden. Aus dieser Studie konnte erstmalig eine erhöhte Retinadosis mit einer deutlich verschlechterten Sehkraft in Verbindung gebracht werden.