Nichtklinische Forschung

Die Beschleunigeranlage von MedAustron bietet ein spannendes und breites Spektrum an Forschungsmöglichkeiten.

Zum einen werden translationale Forschungsthemen bearbeitet, die nahe an der medizinischen Anwendung stehen, zum anderen können die Teilchenstrahlen aber auch generell für Fragestellungen der Strahlenphysik und der angewandten Teilchenphysik herangezogen werden. Die Medizinischen Universität Wien und die Technische Universität Wien sind die vorrangigen Partnerinstitute für unsere Forschungsprojekte, über deren Durchführung ein unabhängiges Beratungsgremium entscheidet. Enge Zusammenarbeit in der wissenschaftlichen Arbeit findet auch mit dem Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, der Fachhochschule Wiener Neustadt und der Medizinischen Universität Graz. Statt. Vor Ort unterstützt ein Leitungsgremium die praktischen Forschungsarbeiten und begleitet den Forschungsfortschritt. Die Koordination dieser Forschungsaktivitäten obliegt Thomas Schreiner und Dietmar Georg.

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Forschungfelder

Für die Forschungsperiode von 2019 bis 2021 wurden neben der erforderlichen Kommissionierung der Kohlenstoffionen und der 800 MeV Protonen sechs Forschungsprojekte definiert. Dies umfasst die intrafraktionelle und die interfraktionelle adaptive Strahlentherpie, die Bildgebung mit Ionenstrahlen, die magnetresonanzgestützte Teilchentherapie, Energieübertragungsmechanismen und Anwendungen in der Biologie und Physik, sowie die präklinische Forschung.

Forschungsfelder

Intrafraktionelle adaptive Strahlentherapie

Die Behandlung von sich bewegenden Zielvolumina mit gescannten Teilchenstrahlen ist seit langem ein wichtiges Forschungsgebiet in der Ionentherapie. Für die intrafraktionelle adaptive Strahlentherapie, d.h. bei Veränderungen während einer Bestrahlungsfraktion, liegt der Schwerpunkt der Untersuchungen im Bereich der medizinischen Bildverarbeitung, der vierdimensionalen Dosimetrie und bei speziellen Methoden in der Bestrahlungsplanung.

Interfraktionelle adaptive Strahlentherapie

Auch die interfraktionelle adaptive Strahlentherapie beschäftigt sich mit Positionsänderungen der Zielvolumina, wobei das Zeit Intervall der Bewegung größer ist, d.h. Veränderungen zwischen den einzelnen Bestrahlungstagen (Fraktionen). Behandlungsadaptionen basieren auf Magnetresonanzbildern, die Informationen zu morphologischen Änderungen und Veränderungen der Tumorcharakteristik liefern. Für die Bewertung und Weiterverarbeitung der einzelnen Bilder werden auch so genannte Deep Learning Ansätze verwendet.

Magnetresonanzgestützte Teilchentherapie

Forschung auf dem Gebiet der magnet-resonanzgestützten Strahlapplikation oder der Entwicklung einer Kombination aus Magnetresonanztomographie und Ionentherapie ist ein aufstrebendes Thema in der Strahlentherapie. Im Gegensatz zu Photonen wird in der Ionentherapie der Teilchenstrahl direkt durch das Magnetfeld beeinflusst. Untersuchungen zu den Auswirkungen auf die Dosisverteilung, auf dosimetrische Messungen und letztlich auf die Patientenbehandlung sind der Ausgangspunkt für eine magnetresonanzgestützte Teilchentherapie.

Bildgebung mit Ionenstrahlen

MedAustron bietet die Möglichkeit Protonencomputertomographie mit Energien von bis zu 800 MeV zu untersuchen. Solch hohe Protonenenergien werden in der Therapie nicht verwendet. Zur Reduktion der Reichweitenunsicherheiten im Bestrahlungsplanungsprozess, ist es von wesentlichem Interesse die Bestimmung der Energieabgabe der Teilchen zu verbessern.

Energieübertragungsmechanismen

Derzeit wird für die Behandlungsplanung in der Ionentherapie das Produkt aus absorbierter Dosis in Wasser mit einem biologischen Gewichtungsfaktor herangezogen. Für eine umfassende quantitative Beschreibung der biologischen Auswirkungen ist dieser Zugang jedoch nicht ausreichend. Daher werden mittels experimenteller Messungen mikrodosimetrische Spekteren auf-genommen, die den Grundstein für eine weitere Korrelation mit biologischen Daten darstellen.

Präklinische Forschung

Die präklinische Forschung fokussiert sich auf die Untersuchung von molekularbiologischen und immunologischen Vorgängen im Tumor und dessen Mikromilieu, welche maßgeblich zur Therapieresistenz des Tumors beitragen. Die Auswirkungen der Ionentherapie auf das Tumormikromilieu sind derzeit nicht bekannt und werden in adäquaten Sphäroid- und Xenograft-Modellen erforscht. Zusätzlich ist geplant, strahleninduzierte Vorgänge im Tumor mittels nicht-invasiven prä-klinischen Bildgebungsverfahren darzustellen und zu untersuchen.

Mehr zu akademischen Arbeiten

Themen für akademische Arbeiten

Durch die enge Kooperation von MedAustron mit österreichischen Universitäten und Fachhochschulen ergibt sich die einzigartige Möglichkeit studentisch Abschlussarbeiten (MSc bzw. BSc) am Teilchenbeschleuniger von MedAustron durchzuführen. Derzeit sind studentische Arbeiten in folgenden Bereichen möglich:

Unsere Forschungspartner

Dosimetrie

Themen: Dosimetrie für Protonen und Kohlenstoffionen, Dosimetrie für kleine Feldgrößen, Mikrodosimetrie, Linearer Energietransfer, Thermolumineszenzdetektoren, Dosismessung mit Filmen, Qualitätssicherung, Dosisflächenprodukt, Strahlenschutz, Dosimetrie für Röntgenstrahlung, Auswirkungen von magnetischen Feldern

Angewandte Teilchenphysik und Detektorentechnik

Themen: Bildgebung mittels Computertomographie mit Protonen und Ionen, d.h. hardwarenahe Programmierung (FPGA, VHDL), Teilchentracking, Energiemessung von Ionen mittels Kalorimeter, Bildrekonstruktion aus gemessenen und simulierten Daten; Tests von Halbleiterdetektoren

Bildverarbeitung und Bestrahlungsplanung in der Ionentherapie

Themen: (multi-parametrische) Magnetresonanztomographie, Computertomographie, Bildverarbeitung mit neuronalen Netzwerken, bildgeführte Strahlentherapie, Bestrahlungsplanung für neue Teilchenarten und bewegte Tumoren, Planungsvergleichsstudien für Protonen und Kohlenstoffionen

Computersimulation und Softwareentwicklung

Themen: Monte Carlo Simulationen mittels Geant4, GATE, FLUKA, PHITS; Dosisberechnung, Fragmentierungseffekte; Detektormodellierung; Modellierung der Strahllinie; Erweiterung des Monte Carlo Framework; Validierungsmessungen; Optimierung experimenteller Aufbauten

Präklinische Strahlenbiologie

Themen: Bestrahlung von Zelllinien und Sphäroiden und anschließende Untersuchung von strahleninduzierten Vorgängen in unterschiedlichen Tumormodellen. Dies beinhaltet Arbeiten in der Zellkultur und die Durchführung immunologischer und molekularbiologischer Methoden (z.B. Immunohistologie, Western Blots und ELISA).

Präklinische Bildgebung

Themen: Bildgebung basierend auf CT, SPECT und PET

Beispiele abgeschlossener wissenschaftlicher Arbeiten

Title
Autoren
Jahr
Forschungspartner
Andrea Balz, BSc
2018,
Technische Universität Wien
Niklas Reisz, BSc
2018,
Technische Universität Wien
Felix K.V. Ulrich-Pur, BSc
2018,
Technische Universität Wien

Infrastruktur

Zur Umsetzung der Forschungsvorhaben können Wissenschaftler*innen sowohl den Protonen- und Kohlenstoffionenstrahl in einem festgelegten Ausmaß als auch dedizierte Räumlichkeiten nützen.

Die Strahlparameter umfassen im Wesentlichen jene, die auch für die medizinische Anwendung vorgesehen sind. Die einzige Ausnahme bildet die maximale Protonenenergie, die bis auf 800 MeV erhöht werden kann.

Ein eigener Bestrahlungsraum, der nicht für den Patientenbetrieb genutzt wird, weist folgende Eigenschaften auf:

  • Raumgröße von rund 96 m² mit der Möglichkeit zweier hintereinander liegender Bestrahlungsplätze
  • robotisches Positionierungs- und Verifikationssystem (Ring Imaging System), welches ident zu jenem in den klinischen Bestrahlungsräumen ist
  • wegklappbare Nozzle, Forschungsmagnet mit einem maximalen Magnetfeld von 1 T, externe Kühlmöglichkeiten, Abklingraum und lokaler Kontrollraum

Entsprechend der Hauptforschungsbereiche in der Strahlenbiologie, der Strahlenphysik und der angewandten Teilchenphysik können Wissenschaftler*innen auch verschieden ausgestattete Labors nutzen, zum Beispiel:

  • ein Zellkulturlabor mit Inkubatoren und Laminar Flow-Arbeitsplätzen
  • ein Chemielabor mit Digestor, Färbeautomaten und Sicherheitsschränken Werkbänken, Mikroskopen
  • eine Röntgenreferenzstrahlungsanlage, VME Eletronik u.v.m.
  • ein Dosimetrielabor mit unterschiedlichen dosimetrischen Systemen und Phantomen
  • ein Softwarelabor mit mehreren Bestrahlungsplanungssystemen sowie Monte Carlo-Applikationen

Vorbereitungs- und Lagerräume gehören ebenso wie Büroarbeitsplätze und ein Besprechungszimmer zur Forschungsinfrastruktur bei MedAustron.