Forschung mit MRI Linac

In den Forschungsprojekten der Medizinphysik zum MRI-Linac arbeiten wir insbesondere an der Weiterentwicklung von MRI-Sequenzen bei niedriger Feldstärke von 0.35 Tesla, an der Verarbeitung und quantitativen Auswertung der täglich aufgenommenen MR-Bilder, and an der Entwicklung von neuen Konzepten und Algorithmen, um die Bildinformation optimal auszunutzen:

1. Wir arbeiten an der Optimierung und Entwicklung von MRI-Sequenzen für den MRI-Linac. Insbesondere arbeiten wir an der Entwicklung von Diffusionsgewichteter Bildgebung (DWI) bei niedriger Feldstärke.
2. Mit Methoden der Künstlichen Intelligenz arbeiten wir an der Erstellung synthetischer CT-Bilder basierend auf den MR-Bildern. Dadurch wird es in der Zukunft möglich sein, auf CT-Bilder gänzlich zu verzichten und eine rein MR-basierte Bestrahlungsplanung durchzuführen. Dadurch werden Arbeitsabläufe vereinfacht und dem Patienten zusätzliche Untersuchungen erspart.
3. Wir befassen uns mit der quantitativen Auswertung der MR-Bilder. Dabei geht es um die Quantifizierung von Volumenveränderungen im Verlauf der Therapie, beispielsweise das Schrumpfen von Tumor und Speicheldrüsen bei Kopf-Hals Patienten. Darüber hinaus arbeiten wir an Radiomics Analysen, um Veränderungen von Grösse, Form, und Textur des Tumors mit dem Erfolg der Therapie zu korrelieren.
4. Wir entwickeln das Konzept der adaptiven Fraktionierung. Dabei versuchen wir Tumor- und Organbewegungen von Tag zu Tag nicht nur zu kompensieren, sondern auszunutzen. Das geschieht, indem man die Dosis im Tumor erhöht an Tagen, an denen der Tumor etwas weiter vom dosislimitierenden Risikoorgan entfernt ist. Dadurch kann man die Dosis an anderen Tagen reduzieren, wenn der Tumor am Risikoorgan anliegt.

In allen Teilschritten besteht erheblicher Forschungs- und Entwicklungsbedarf, der hohe Expertise in verschiedensten mathematisch-naturwissenschaftlichen und ingenieur-wissenschaftlichen Gebieten sowie deren Translation in die klinische Forschung erfordert. Im wissenschaftlichen Umfeld von Zürich existieren an USZ, UZH und ETH zahlreiche Forschungsgruppen, die bereits erfolgreich ähnliche Themen bearbeiten und die ein hohes Interesse an gemeinsamen Forschungsprojekten auf dem Gebiet des MRI-Linac haben.

Das Medizinphysik Team hat einen Forschungsschwerpunkt im Gebiet der quantitativen Bildanalyse. In mehreren Projekten konnte gezeigt werden, dass Bildparameter prognostisch sind für das Ansprechen auf Radiochemotherapie oder auch zu biologischen Parametern wie dem HPV Status korrelieren. Der Vorteil des MRI-Linac ist, dass wir täglich MRI Bilder aufnehmen und die Veränderung der Bildparameter über die Zeit analysieren können.  Solche Analysen können wegweisend für die sogenannte Adaptive Radiotherapie sein, denn sie erlauben das Ansprechen des Tumors bzw. die Reaktion des umgebenden Normalgewebes frühzeitig zu erkennen um die Radiotherapie entsprechend anzupassen.

Konkret werde 3 Fragestellungen untersucht:

1. Korrelation von diagnostischen MR Bildparametern mit MR Linac Bildmarkern für verschiedene Gewebetypen.
2. Prospektive longitudinale Evaluierung von Bildparametern bei Kopf-Hals-Tumoren.
3. Analyse von Lungen-Gewebsveränderungen während der Strahlentherapie

Eine MRI-geführte Radiotherapie wird unseren Patientinnen und Patienten sowohl im Rahmen von klinischen Beobachtungsstudien als auch Interventionsstudien angeboten. Die MRI-Technologie kommt ohne zusätzliche Strahlenbelastung aus und eignet sich deshalb ausgezeichnet zur regelmässigen bildgeführten Adaption der Radiotherapie.

Folgende 4 klinischen Anwendungsgebiete sind unsere Schwerpunkte:

1. Adaptive Planung mit wöchentlicher Plananpassung in der definitiven Radiochemotherapie von Kopf-Hals- und Lungentumoren
2. Echtzeit-MRI gesteuerte Ablation von ventrikulären Tachykardien in einer Bestrahlungssitzung (Radiochirurgie) bei Patientinnen und Patienten mit therapie-resistenten «electrical storms».
3. Tägliche MRI Bildgebung zur Beobachtung der Dosisdeposition im Normalgewebe und Modellierung von radiogener Normalgewebstoxizität
4. Die Weiterentwicklung des Konzepts der adaptiven Fraktionierung, bei der die Strahlendosis an Behandlungstagen erhöht wird, an denen die Lage des Tumors relativ zu Risikoorganen besonders günstig ist.

Die angewandte klinische Forschung wird in enger Kooperation mit unseren klinischen Partnerschaften am USZ geplant: u.a. Onkologie, Neurologie, Pathologie, Radiologie, Nuklearmedizin. Zusätzlich werden wir die klinische Forschung international vernetzen und streben gemeinsame Protokolle unter Nutzung der MRI-Linac Technologie an.

Aktuelle Studien am MRI Linac:

MARTHA: Adaptive Radiotherapie von Kopf-Hals-Tumoren mit dem Ziel der Reduktion von Nebenwirkungen – insbesondere der Mundtrockenheit nach Bestrahlung.

MARGA-I: Untersuchung der unter Therapie auftretenden Veränderungen bei Glioblastoma Multiforme durch Bildgebungen während der Behandlung am MRI Linac.

MASPAC: Evaluation des Nutzens von zusätzlicher adaptiver stereotaktischer Bestrahlung zur Reduktion von Schmerzen bei Bauchspeicheldrüsentumoren.

DEFT-STAR: Dosisfindung von stereotaktischer Radiotherapie zur nebenwirkungsfreien Behandlung von rezidivierenden anhaltenden Herzkammertachykardien.