Für die Strahlenbehandlung von Tumoren machen sich Medizinerinnen und Mediziner die zerstörerische Kraft der Strahlenbehandlung zunutze: Mit ihr lassen sich die Tumorzellen gezielt abtöten und krebskranke Menschen in die Heilung führen. Elementar ist, die Tumorregion vollständig zu treffen und das gesunde Gewebe gleichzeitig möglichst zu schonen – eine Präzision, von welcher der Behandlungserfolg maßgeblich abhängt. Das medizinische Personal erstellt daher vorab über die strahlenbasierte Computertomographie ein genaues Bild des Tumors und plant anhand dieser Aufnahmen die Behandlung. Steht einige Tage später die eigentliche Bestrahlung an, muss die zu behandelnde Person exakt so positioniert werden wie bei der Erstuntersuchung. Auch darf sich die Lage während der Therapie nicht verändern.

Mit einem neuartigen System lässt sich die Position von Patientinnen und Patienten sowohl vor als auch während einer Bestrahlungstherapie kontinuierlich überwachen. Die Chancen auf eine erfolgreiche Behandlung und damit verbundene Heilung werden dadurch merklich gesteigert. Sprich: Ein elementarer Beitrag zu einer schonenderen und gleichzeitig effektiveren Krebstherapie. Für das produktionsreife Gesamtsystem, entwickelt mit dem Industriepartner Varian Medical Systems, erhalten Dr. Peter Kühmstedt, Dr.-Ing. Christoph Munkelt und Matthias Heinze vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF den Joseph-von-Fraunhofer-Preis 2022. Wichtig war der Jury vor allem die Erleichterung für die erkrankte Person, die sich der Behandlung unterzieht.

Hochfrequente Bildrate und auf weniger als einen halben Millimeter genau

»Das System bildet den Behandelten vor und während der Bestrahlung mit einer Genauigkeit von weniger als einem halben Millimeter und einer hochfrequenten Bildrate dreidimensional ab – das ist einzigartig«, betont Munkelt. »Dies ermöglicht, die optimale Ausrichtung der Strahlen unter minimaler zusätzlicher Strahlenbelastung durch bildgebende Röntgensysteme zu überwachen. Optische Systeme erlauben zudem eine genaue Kontrolle der Patientenposition bei hochdosierter Bestrahlung mit wenigen Therapiesitzungen. Die Therapien sind sehr effektiv und reduzieren auch die körperlichen und psychischen Belastungen.« Bereits bei der ersten Untersuchung via Computertomographie projiziert ein optischer Sensor ein veränderliches, für das menschliche Auge unsichtbares Infrarot-Muster auf den Körper, das von zwei Kameras erfasst wird. Die Patientinnen und Patienten, die aufgrund der Erkrankung bereits emotional vorbelastet sind, werden durch das Licht nicht zusätzlich irritiert – ein weiterer Pluspunkt. Anhand der Bilder ermittelt das System ein 3D-Modell, mit dem sich die relevanten Körperbereiche – ein bestrahltes Körperareal in der Größe von etwa 30 x 30 Zentimetern – später wieder exakt so positionieren lassen wie bei der Voruntersuchung.

Ein weiterer Vorteil: Bewegt sich die Person während der Bestrahlung, etwa weil sie stark atmet oder Ausgleichsbewegungen macht, ändert sich auch die bestrahlte Körperregion. Hier sorgt das System ebenfalls für mehr Sicherheit: Ändert sich die Lage des Patienten, registriert das System dies umgehend und schaltet die Bestrahlung sicherheitshalber aus. Perspektivisch können kleinere Lageveränderungen z. B. infolge der Atmung adaptiert und die Bestrahlung live nachgeführt werden. Auch herausforderndere Bestrahlungsarten von örtlich schwer verfolgbaren Tumoren, etwa im Bereich des Unterleibs, dürften zukünftig in den Bereich des Möglichen rutschen.

Für diese Entwicklung musste das Forschungsteam zahlreiche Herausforderungen meistern. »Der Kern der Entwicklung lag jedoch darin, das gesamte Paket als Methodik in eine industrielle Lösung zu überführen und als Sensornetzwerk auszugestalten«, verdeutlicht Heinze. Langfristig, so die Erwartung des weltweit agierenden Kooperationsunternehmen Varian Medical Systems, wird das neuartige Systeme zur Patientenlageüberwachung global weit verbreitet sein.