Ziel der Strahlentherapie ist es, das Hochdosisvolumen auf den Tumor zu beschränken, um Toxizität in umliegenden Organen zu verhindern. Gescannte Ionenstrahltherapie kann die Dosis in gesundem Gewebe reduzieren. Ihr Einsatz gegen Tumore in Brustkorb und Unterleib, etwa Krebs in Lunge, Leber und Bauchspeicheldrüse, ist bisher allerdings nur eingeschränkt möglich. Durch die Atmung induzierte Veränderungen in Tumorposition und Strahlreichweite sorgen in der klinischen Praxis für deutlich schlechtere Dosisverteilungen und erfordern große Sicherheitssäume, die den Gewinn an Konformität durch Ionenstrahltherapie reduzieren. Um Sicherheitssäume zu mimimieren, muss sich die Bestrahlung in Echtzeit an die anatomische Bewegung anpassen. Dies wird durch die bei der Bestrahlungsplanung unbekannten Unregelmäßigkeiten realistischer Tumorbewegung erschwert. Um den Einfluss unregelmäßiger Bewegung zu untersuchen, wurde eine Erweiterung eines RBE-gewichteten Dosisberechnungsalgorithmus experimentell validiert, die den Umgang mit beliebig langen Serien von CT-Bildern ermöglicht. Es wurde gezeigt, wie damit eine Simulationsstudie mit unregelmäßigen Patientenbildgebungsdaten durchgeführt werden kann. Eine neue Methode zur Bewegungskompensation, die Mehrphasen 4D Bestrahlung mit residuellem Tracking (MP4DRT), wurde in die Forschungsversion eines klinischen Bestrahlungssteuerungssystems implementiert. Sie kombiniert die zuvor vorgeschlagene mehrphasen 4D Bestrahlung (MP4D) mit lateralem Beam Tracking. Die MP4D synchronisiert die Abstrahlung phasenspezifischer Pläne mit der beobachteten Bewegung. Dies ermöglicht eine zeitaufgelöste, konformale Bestrahlungsplanung für periodische Bewegungen, die Reichweitenänderungen und Verformungen berücksichtigt. Eine Echtzeitanpassung der Reichweite während der Bestrahlung ist daher nicht notwendig. In der neuen MP4DRT führt zusätzliches laterales Beam Tracking die Strahlposition in Echtzeit der unerwarteten Bewegungskomponente nach. MP4DRT wurde in einer experimentellen Studie mit den ebenfalls für freie Atmung entwickelten Bewegungskompensationsmethoden MP4D, lateralem Beam Tracking und ITV Rescanning verglichen. Bestrahlungspläne wurden für ein digitales Lungenphantom mit einer nominellen Tumorbewegungsamplitude von 20 mm optimiert. Mit Qualitätssicherungsmessungen vergleichbare Experimente wurden an einer klinischen Kohlenstofftherapieanlage durchgeführt, wobei periodische und unregelmäßige Bewegungen mit 25 % Amplitudenvariation mit und ohne Drift der Basislinie untersucht wurden. Die Qualität der Bestrahlung wurde mittels Detektormessungen und Logfile-basierten Dosisrekonstruktionen quantifiziert. Die Robustheit der Methode wurde durch künstliche Fehler des Bewegungssignals während der Bestrahlung und zusätzliche Rotationen um bis zu 30° während der Dosisrekonstruktion getestet. Es wurde gezeigt, dass MP4DRT hochkonformale und homogene Dosisverteilungen applizieren kann. Eine Zielabdeckung von D95>95 % wurde unabhängig vom Bewegungsszenario oder der Tumorration und für klinisch relevante mittlere absolute Bewegungsdetektionsfehler von bis zu 1.9 mm erreicht. Die MP4DRT verbindet die komplementären Stärken seiner Vorgänger und übertrifft die verglichenen Bewegungkompensationstechniken in Zielabdeckung, Dosiskonformalität und -homogenität, der Schonung von Risikoorganen und der Robustheit gegen Rotationsbewegungen. Die MP4DRT ermöglicht die Applikation konformaler und homogener Dosisverteilungen in bewegten Tumoren in einer einzigen Fraktion. Nach einer klinischen Implementierung könnte dies die Bestrahlungsqualität verbessern und Behandlung bisher für die Teilchentherapie unzugänglicher Tumore ermöglichen.