FORSCHUNGSBEREICH
Medizinische Physik (auch biomedizinische Physik, medizinische Biophysik oder angewandte Physik in der Medizin genannt) ist im Allgemeinen die Anwendung von Konzepten, Theorien und Methoden der Physik auf die Medizin oder das Gesundheitswesen. Abteilungen für Medizinphysik finden sich in Krankenhäusern oder Universitäten. Es gibt vier Hauptbereiche der Medizinphysik: 1) Strahlentherapeutische Physik, 2) Physik der medizinischen Bildgebung, 3) Physik der Nuklearmedizin und 4) Gesundheitsphysik, die mehr als 90 % aller medizinphysikalischen Aktivitäten abdecken.
Strahlentherapeutische Physiker arbeiten hauptsächlich in strahlenonkologischen Abteilungen von Krankenhäusern, die auf die Behandlung von Krebs spezialisiert sind. Die Strahlentherapie (RT) ist die häufigste Behandlung von Krebs und wird bei etwa 70 % aller Krebsarten entweder allein oder in Kombination mit einer Operation oder Chemotherapie eingesetzt. Dabei werden hochenergetische Teilchen oder Wellen wie Röntgenstrahlen, Gammastrahlen, Elektronenstrahlen, Protonen und Kohlenstoffionen eingesetzt, um Krebszellen zu "töten" oder zu "schädigen". Es besteht ein wachsendes Interesse an der Verwendung von Ionenstrahlen (Protonen, Kohlenstoffionen) für die Krebstherapie. Der Hauptvorteil von Ionenstrahlen liegt in der begrenzten Reichweite (oder Tiefe) im Gewebe, dem so genannten Bragg-Peak, bei dem ein erheblicher Teil der Strahlung am Ende der Bahn, wo die Ionen aufhören, abgelagert wird. Der Bragg-Peak garantiert, dass gesunde Organe, die distal (tiefer) zu diesem Peak liegen, nur sehr wenig oder gar keine Strahlung erhalten, was die Nebenwirkungen erheblich reduziert. Aufgrund von Unwägbarkeiten bei der Behandlung und der Strahlführung ist es jedoch nicht möglich, den Bragg-Peak genau am distalen Rand des Tumors zu platzieren. Daher bestrahlen wir freiwillig gesunde umliegende Organe, um sicherzustellen, dass der Tumor die erforderliche Strahlendosis erhält, um den Krebs zu sterilisieren. Die "Unsicherheit" des Bragg-Peaks verringert den klinischen Nutzen der Ionenstrahl-Strahlentherapie.
Die laufende medizinisch-physikalische Forschung in der Radioonkologie in Heidelberg konzentriert sich auf 1) die Entwicklung neuartiger Bildgebungstechnologien zur Verringerung der Bragg-Positionsunsicherheit bei Patienten, die prompte Gammaspektroskopie und Heliumstrahl-Bildgebung für die Kohlenstoffionentherapie verwenden; 2) Bewegungsmanagementtechnologien zur Verringerung von Effekten während der Patientenbehandlung, 3) die Einbeziehung physikalischer und mathematischer Modelle in den Entscheidungsfindungsprozess für die Strahlentherapie und 4) die Nutzung der Möglichkeiten des pixelierten Halbleiterdetektors Timepix für die Helium- und Kohlenstoffionentherapie. Darüber hinaus ist der molekulare Mechanismus der durch Strahlung verursachten DNA-Schäden nur unzureichend bekannt. Daher konzentriert sich der Bereich der Strahlenbiologie auf die Untersuchung der biologischen Wirkung ionisierender Strahlung auf Gewebe.
Ionenstrahl-Therapie
Gruppe J. Seco: Grundsätzlich bietet die Ionenstrahltherapie einen erheblichen klinischen Vorteil gegenüber der herkömmlichen Photonentherapie. Dies liegt an den einzigartigen Bragg-Peak-Tiefen-Dosis-Charakteristika, die ausgenutzt werden können, um die Dosis des Normalgewebes proximal und distal des Zielvolumens deutlich zu reduzieren. Dies wiederum kann eine Eskalation der Tumordosen und eine größere Schonung des Normalgewebes ermöglichen, wodurch die lokale Kontrolle und die Überlebensrate verbessert werden können, während gleichzeitig die Toxizität verringert und die Lebensqualität verbessert wird. In Zukunft wird es durch einen breiteren Einsatz der Ionenstrahl-Strahlentherapie möglich sein, die Überlebenschancen bei Krebs mit minimalen Nebenwirkungen deutlich zu verbessern. Um jedoch die Vorteile der Ionenstrahl-Strahlentherapie voll ausschöpfen zu können, ist eine bessere Kontrolle des Bragg-Peaks im Patienten (Krebs) und ein besseres Verständnis der durch die Strahlung ausgelösten DNA-Schäden erforderlich. Sobald wir die Positionierung des Bragg-Peaks innerhalb des Krebses auf 1 mm genau kontrollieren können, wird es möglich sein, die Nebenwirkungen der Strahlung zu verringern und gleichzeitig den Krebs mit mehr Strahlung zu bestrahlen.
Unsere Ziele sind die Entwicklung neuartiger Bildgebungstechnologien zur Verringerung der "Unsicherheiten" bei der Positionierung des Bragg-Peaks für die Ionenstrahl-Strahlentherapie unter Verwendung von Heliumstrahl-Bildgebung und prompter Gammaspektroskopie sowie die Untersuchung des Mechanismus der durch Strahlung ausgelösten DNA-Schäden durch reaktive Sauerstoffspezies (ROS). Derzeit entwickeln wir ein Detektorsystem mit hoher Energieauflösung zur Spektroskopie der prompten Gammastrahlung, die bei der Therapie mit Protonen-, Helium- und Kohlenstoffionen emittiert wird. Wir führen Monte-Carlo-Simulationen des Strahlungstransports durch, um die von den verschiedenen Ionenstrahlen erzeugten angeregten Kernzustände zu untersuchen und den Nachweis der prompten Gammastrahlung zu optimieren. Unser Ziel ist die Online-Überwachung des abgegebenen Bragg-Peaks während der Therapie.
Medizinische Bildgebungsphysiker arbeiten in erster Linie in den radiologischen Abteilungen eines Krankenhauses und sind auf die Früherkennung, die Charakterisierung von Tumoren, die Steuerung der Behandlung und die Überwachung der Reaktion mittels morphologischer, funktioneller, metabolischer und molekularer Bildgebung spezialisiert. Die enormen Fortschritte im Verständnis der menschlichen Anatomie, Physiologie und Pathologie in den letzten Jahrzehnten haben zu immer besseren Methoden der Prävention, Diagnose und Behandlung von Krankheiten geführt. Viele dieser Errungenschaften wurden zumindest teilweise durch Fortschritte in der 1) Mehrschicht-Computertomographie (CT), 2) Magnetresonanztomographie (MRT), 3) Positronen-Emissions-Tomographie (PET) und 4) Einzelphotonen-Emissions-Tomographie (SPECT) ermöglicht. Die wichtigsten Errungenschaften in Heidelberg liegen in der Entwicklung und Evaluierung neuartiger Techniken der Hoch- und Ultrahochfeld-MRT, der Dual-Energy/Spectral-CT, des kontrastverstärkten Ultraschalls und der dynamischen PET.
Die laufende Forschung im Bereich der medizinischen Bildgebung in Heidelberg konzentriert sich auf die Evaluierung neuartiger Techniken in der Hoch- und Ultrahochfeld-MRT, der Dual-Energie/Spektral-CT, dem kontrastverstärkten Ultraschall und der dynamischen PET, einschließlich der Hybrid-Bildgebung mit neuen Radiotracern. Laufende Forschungsarbeiten konzentrieren sich auf 1) die Entwicklung von Ultrahochfeld-Bildgebungsgeräten, 2) photonenzählende CT-Detektoren, 3) simultane optische Bildgebung und Tomographie mit MRI, PET, SPECT und Ultraschall, 4) chemischen Austausch-Sättigungstransfer (CEST) und NMR-Spektroskopie (MRS) mit 1H- und X-Kernen, 5) diffusionsgewichtete Bildgebung (DWI), um Einblicke in die Struktur biologischer Strukturen zu gewinnen, und 6) quantitative Suszeptibilitätskartierung (QSM).
MRT
Gruppe M. Ladd: Bei der MRT besteht ein wesentlicher Unterschied bei ultrahohen Magnetfeldern (= 7 Tesla) darin, dass die HF-Wellenlänge im Gewebe kürzer sein kann als der Querschnitt des menschlichen Körpers, was bedeutet, dass Phaseneffekte und Wellenausbreitung berücksichtigt werden müssen. Wir entwickeln eine neue HF-Technologie auf der Grundlage von Mehrkanal-Erregerspulen, die eine präzise Kontrolle der HF-Feldverteilung ermöglichen. Es wurde ein 32-Kanal-HF-Array für die Ganzkörperanregung bei 7 Tesla entwickelt, siehe Abbildung
Gruppe L. Schad: Wir arbeiten an verschiedenen Aspekten einer verbesserten Behandlungsplanung und -überwachung in der onkologischen Strahlentherapie durch den Einsatz physiologischer und funktioneller Bildgebung von CT, MRT und PET. Einer unserer Hauptforschungsaspekte liegt in der Entwicklung neuer MR-Techniken (23Na-Imaging, dynamische MRT, Diffusion, Perfusion, Blutbolus-Tagging, BOLD-MRI) für den klinischen Einsatz in der Therapieplanung und -überwachung. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Bildgebung von hyperpolarisiertem 3He in der menschlichen Lunge sowie T2*- und T1-Techniken zur nicht-invasiven Messung der Gewebeoxygenierung und -perfusion im Herzmuskel, die für die Radiologie von allgemeinem Interesse sind.
