Malen mit Protonen: Behandlungsstrahlen erschaffen Kunstwerke

Neuauflage von Plato

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Protonenstrahlen erschaffen Kunstwerke — **Protonengemälde** Das Originalkunstwerk und nachgebildete „Gemälde“ in Isodose-Farbwäsche und Dosis-Farbwäsche für *Das Mädchen mit dem Perlenohrring* von Johannes Vermeer (obere Reihe), *Die Sternreiche Nacht* von Vincent van Gogh (mittlere Reihe) und *Der Schrei* von Edvard Munch (untere Reihe). (Anstand: *Medizinische Dosimetrie* 10.1016/j.meddos.2023.08.006)

Die intensitätsmodulierte Protonentherapie (IMPT) ist eine fortschrittliche Krebsbehandlungstechnik, bei der schmale, bleistiftartige Protonenstrahlen verwendet werden, die Punkt für Punkt und Schicht für Schicht in den Patienten eingestrahlt werden, um Strahlung in hochkomplexen Dosismustern abzugeben. In Kombination mit hochentwickelten Behandlungsplanungstechniken kann IMPT die Protonendosis mit beispielloser Genauigkeit so anpassen, dass sie dem Zieltumor entspricht, wodurch die Zerstörung von Krebszellen maximiert und gleichzeitig die Schädigung von umliegendem gesundem Gewebe minimiert wird.

Der Medizinphysiker Lee New Yorker Protonenzentrum entwickelte einen ungewöhnlichen Ansatz: Er verwendete Protonenstiftstrahlen, um eine Reihe bekannter Gemälde als Behandlungspläne nachzubilden, wobei er die Protonen praktisch als Pinsel nutzte.

„Als ich zum ersten Mal in diesem Bereich tätig war, erinnere ich mich, dass ich mir Behandlungspläne angesehen habe und erstaunt war, wie schön sie waren. Für mich sahen sie wirklich wie Kunstwerke aus“, erzählt Xu Physik-Welt. „Als ich immer mehr Zeit damit verbrachte, die Behandlungsplanung zu beobachten, wurde mir klar, wie ähnlich Dosimetristen Künstlern waren. Der einzige Unterschied bestand wirklich im verwendeten Medium und der Leinwand, auf die sie das Medium aufgetragen haben.“

Xu wählte fünf bekannte Gemälde aus – Das Mädchen mit dem Perlenohrring von Johannes Vermeer, Die Sternreiche Nacht von Vincent van Gogh, Der Schrei von Edvard Munch, Komposition mit Rot, Blau und Gelb von Piet Mondrian und Sohn eines Mannes von René Magritte – zur Nachbildung im Behandlungsplanungssystem Eclipse v16.1 und zum Teilen der resultierenden Bilder in Medizinische Dosimetrie.

Um jedes „Gemälde“ zu erzeugen, verwendete das Planungssystem klinische Protonen mit Energien von 70–250 MeV, um „Farbe“ (Strahlungsdosis) auf eine „Leinwand“ (ein Wasserphantom) aufzutragen, mit einer Gesamtvorgabe von 100 Gy in 50 Fraktionen . Bei jedem Behandlungsplan wurden zwischen einem und sechs Protonenfeldern eingesetzt, die auf die Vorderseite der Leinwand gerichtet waren, wobei das Isozentrum in einer Tiefe von 10 cm lag.

Der Prozess beginnt auf ähnliche Weise wie bei einem herkömmlichen Kunstwerk – indem eine vorläufige Skizze auf der Leinwand erstellt wird, um das Gesamtlayout festzulegen, in diesem Fall mithilfe des 2D-Pinselwerkzeugs im Konturierungsarbeitsbereich von Eclipse. Als nächstes werden Schlüsselelemente wie der Himmel und der Boden als Konturen dargestellt und in separate Strukturen unterteilt, um verschiedene Farben, Töne und Texturen darzustellen. In einigen Fällen verwendete Xu eine abschließende Unterteilung in noch kleinere Strukturen (bis zu 65 für das komplexeste Gemälde), um komplexere Details widerzuspiegeln.

Xu ordnete verschiedenen Isodosenstufen zwischen 0 und 100 Gy in Intervallen von etwa 300 cGy unterschiedliche Farben zu. Anschließend optimierte er die Behandlungspläne, um Dosen in die Leinwand einzubringen, die in jeder Region die gewünschte Farbe erzielten. Xu stellt fest, dass die endgültige Dosisverteilung mit demselben Protonenfaltungs-Überlagerungsalgorithmus berechnet wurde, der in seiner Klinik verwendet wurde.

„Nachdem ich mich mit der Protonentherapie mit Bleistiftstrahl-Scanning vertraut gemacht hatte, wurde mir klar, dass die Möglichkeiten der Dosismalerei mit Protonen nahezu grenzenlos waren“, sagt Xu. „Ich wollte unbedingt sehen, wie weit ich es bringen kann, und was gibt es Schöneres, als einige meiner Lieblingsgemälde mit Protonenstrahlen nachzubilden. Obwohl ich diese Idee schon seit fast fünf Jahren habe, hatte ich erst vor kurzem die Zeit und Geduld, sie in die Tat umzusetzen.“

Die endgültigen Nachbildungen zeigten eine deutliche Ähnlichkeit mit den Originalkunstwerken und verfügten über eine ausreichende Auflösung, um feine Details hervorzuheben. Xu stellt fest, dass jedes Gemälde tatsächlich ein dreidimensionales Kunstwerk ist und in mehreren Tiefen innerhalb des Wasserphantoms betrachtet werden kann.

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Die Gemälde sind nicht nur eine eindrucksvolle Demonstration modernster Medizintechnik, sie dienen auch einem weiteren Zweck. Xu stellt sich vor, dass sie als pädagogisches Hilfsmittel dienen könnten, um Patienten, die sich einer Behandlung unterziehen, dabei zu helfen, die allgemeinen Prinzipien der Protonentherapie zu verstehen, oder sogar um Medizinstudenten und Medizinphysikstudenten dabei zu helfen, Protonenphysik und Dosimetrie besser zu verstehen, indem sie eine Reihe kommentierter Gemälde verwenden.

„Ich hoffe, dass dieses Papier zeigt, wie weit wir seit den Tagen der 2D-Planung gekommen sind und wie moderne Technologie es uns ermöglicht hat, eine äußerst gezielte Versorgung anzubieten, die speziell auf jeden Patienten zugeschnitten ist“, fügt Xu hinzu. „Ich hoffe auch, dass diese Arbeit uns allen in den Bereichen Radioonkologie und medizinische Physik daran erinnert, dass wir uns zwar oft als Wissenschaftler oder Kliniker bezeichnen, tief im Inneren aber auch Künstler sind; Und ohne Kunst wäre unser Fachgebiet nicht dasselbe.“