Erfolgreiche Dissertation in der Medizinphysik

Am 23. Juli wurde Feline Heinzelmann an der Fakultät für Physik der Technischen Universität Dortmund zur Doktorin der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.) promoviert. Der Titel ihrer englischsprachigen Dissertation lautet: „Proton therapy for childhood brain tumors: risk modeling of post-treatment imaging changes and deep-learning–based segmentation of key anatomical structures“.

Die für die Dissertation durchgeführten Studien entstanden im Rahmen ihrer Tätigkeit als wissenschaftliche Mitarbeiterin in der Medizinphysik am Westdeutschen Protonentherapiezentrum Essen (WPE). Doktorvater war Prof. Dr. Christian Bäumer, Zweitgutachter Prof. Dr. Armin Lühr.

Das Dissertationsprojekt wurde teilweise durch das von der MERCUR-Stiftung geförderte Graduiertenkolleg „Präzisionsprotonentherapie“ unterstützt, das mittlerweile durch das DFG-geförderte Graduiertenkolleg „AMTEC-PRO“ im größeren Rahmen einen Nachfolger hat. Eine weitere Förderung erfolgte durch die Barbara und Hubertus Trettner Stiftung.

Biologische Wirksamkeit von Protonen

Ein Schwerpunkt der Arbeit lag auf der biologischen Wirksamkeit von Protonen. In der klinischen Bestrahlungsplanung wird derzeit von einer um 10 Prozent höheren relativen biologischen Wirksamkeit (RBW) von Protonen im Vergleich zu Röntgenphotonen ausgegangen. Wissenschaftliche Untersuchungen weisen jedoch darauf hin, dass die RBW von Protonen variieren kann. Insbesondere am Ende ihrer Reichweite können Protonen lokal eine höhere biologische Wirksamkeit entfalten.

Frau Dr. Heinzelmann untersuchte diese Fragestellung bei pädiatrischen Hirntumorpatientinnen und -patienten des WPE. Als Endpunkt dienten sichtbare Bildveränderungen in MRT-Aufnahmen im Rahmen der Nachsorge. Hierfür wurden Nachsorge-MRTs mit dosimetrischen Informationen aus der Bestrahlungsplanung verknüpft.

Untersucht wurde der Zusammenhang zwischen den physikalischen Größen Dosis und linearem Energietransfer (LET) und der Gewebeantwort in Form von Bildveränderungen. Die Ergebnisse zeigen für den untersuchten, größtenteils asymptomatischen Endpunkt eine Variabilität der relativen biologischen Wirksamkeit von Protonen. Modelle, die Dosis und linearen Energietransfer kombinieren, zeigten dabei eine besonders hohe Vorhersagekraft.

Die Untersuchungen bauten auf einer Kohorte auf, die zuvor von WPE-Oberärztin Dr. Sarah Peters aus medizinischer Perspektive untersucht worden war. Die Ergebnisse von Frau Dr. Heinzelmann wurden inzwischen auch in der Fachzeitschrift „Radiotherapy and Oncology“ veröffentlicht.

Automatisierte Segmentierung anatomischer Strukturen

Ein zweiter Schwerpunkt der Dissertation beschäftigte sich mit der Frage, welchen Einfluss die anatomische Lage auf Bildveränderungen nach einer Protonentherapie haben kann. Frühere Untersuchungen hatten insbesondere das Ventrikelsystem des Gehirns als möglichen Einflussfaktor beschrieben.

Für die Auswertung solcher Zusammenhänge ist eine präzise Konturierung des Ventrikelsystems und weiterer Risikoorgane, beispielsweise des Hirnstamms, erforderlich. Die manuelle Konturierung ist zeitaufwendig und setzt entsprechende Expertise voraus.

Daher wurde im Rahmen der Dissertation eine auf maschinellem Lernen basierende Software zur automatischen Segmentierung dieser anatomischen Strukturen auf MRT-Bildern entwickelt und quantitativ ausgewertet. Die Arbeiten zur automatisierten Segmentierung wurden am Institute for Artificial Intelligence in Medicine (IKIM) durchgeführt.

Interdisziplinäre Forschung am WPE

Das Dissertationsprojekt verdeutlicht die interdisziplinäre Ausrichtung der Forschung am WPE. In die Arbeiten flossen Kompetenzen aus den Bereichen Medizinphysik, Radioonkologie, Künstliche Intelligenz, Strahlenbiologie und Detektorphysik ein.

Frau Dr. Heinzelmann hat während ihrer Tätigkeit am WPE an insgesamt neun wissenschaftlichen Publikationen als Ko-Autorin mitgewirkt.

Auch nach Abschluss ihrer Promotion bleibt sie der wissenschaftlichen Arbeit am WPE verbunden. Frau Dr. Heinzelmann arbeitet künftig als Postdoktorandin in der Arbeitsgruppe von Prof. Armin Lühr an der Technischen Universität Dortmund. Mit Prof. Lühr und seinem Arbeitsbereich besteht bereits seit Jahren eine enge Kooperation mit dem WPE.

Das WPE gratuliert Frau Dr. Feline Heinzelmann herzlich zu ihrer erfolgreichen Promotion und wünscht ihr für ihre weitere wissenschaftliche Tätigkeit viel Erfolg.