Dual-Energie Röntgenbildgebung für gezielte Radiotherapie

Das DEXTER-Konsortium, bestehend aus den Instituten radART (Paracelsus Medizinische Universität, Salzburg, Österreich) und CREATIS (Université Lyon 1, Lyon, Frankreich), zielt auf die Ausnutzung des Potentials eines neuentwickelten, integrierten Patientenpositionierungs- und Röntgenbildgebungssystems (PAIR) für die bildgeführte Radiotherapie (IGRT) ab. Der Fokus liegt auf 2D und 3D Bildgebung im Bestrahlungsraum. Drei wesentliche Ziele und Forschungsbereiche wurden im DEXTER-Projekt festgelegt: 1. Cone-Beam Computertomographie (CBCT) Scanner unterstützen üblicherweise die Verschiebung des Detektors in dessen Bildebene zur Vergrößerung des Rekonstruktionsbildausschnitts (Field-of-View, FOV). Das PAIR- System, das unabhängige Rotationen von Röntgenquelle und Detektors ermöglicht, kann zur Akquisition von schrägen Röntgenaufnahmen herangezogen werden, wodurch größere FOVs erreicht werden können. PAIR ist, soweit dem Konsortium bekannt, im IGRT-Bereich das einzige Gerät, das solche speziellen Akquisitionsgeometrien unterstützt. Um den maximalen FOV von 3D CBCTs zu vergrößern, werden neuartige 3D Tomographie-Rekonstruktionsalgorithmen für die geometrische Anordnung von Quelle und Detektor benötigt. Dieser Themenkreis wird im DEXTER-Projekt beforscht. 2. Künftige tomographische Scanner werden multiple Röntgenenergien unterstützen. Dies ist unter anderem ein zentrales Forschungsgebiet in Lyon, da dort im Rahmen von France Life Imaging (FLI) ein Photonen-zählender Spektralscanner installiert wird. Eine wichtige Perspektive ist die verbesserte Charakterisierung von Körpergewebe, welche in der Partikeltherapie für die Vorhersage der Ionenreichweite im Körper zentral ist. Mit PAIR werden multiple Röntgenenergien in der Bildgebung auch im Bestrahlungsraum zugänglich gemacht. Im Zuge von DEXTER werden Richtlinien bezüglich erreichbarer Genauigkeiten von Ionenreichweiten erstellt, die durch reale Experimente validiert werden. Heute basiert diesbezügliches Wissen auf Monte Carlo Simulationen. Erfolgreiche Verbesserungen in der Gewebecharakterisierung werden reduzierte Sicherheitsränder in Partikeltherapien, die PAIR einsetzen, ermöglichen. 3. Desweiteren werden neue Möglichkeiten der 2D/3D Registrierung zur intrafraktionellen Tumorlokalisation, basierend auf Dual-Energie Röntgenbildgebung und flexibler Kollimation mit PAIR, exploriert. Im Vordergrund steht die Auflösung von Zielverdeckungen durch andere anatomische Strukturen sowie Dosisminimierung durch die Bildgebung. Verbesserungen im Bereich der intrafraktionellen Positionsverifikationen beeinflussen die radiotherapeutischen Sicherheitsränder, die von Unsicherheiten in der Tumorlokalisation herrühren, positiv. Wird weiters die Bildgebungsdosis minimiert, wird der höherfrequente Einsatz von Röntgenbildern zum kontinuierlichen Verfolgen des Zielgebietes während der Bestrahlung möglich. Die Endresultate von DEXTER sind zweifältig. Einerseits wird das erarbeitete Wissen über übliche Mittel disseminiert, d.h. über Konferenzen im Bereich der medizinischen Bildverarbeitung und Radiotherapie, sowie über facheinschlägige Magazine. Andererseits werden Algorithmen, Entwicklungen und repräsentative Daten über Open-Source Plattformen, die die Projektpartner initiiert haben (Reconstruction Toolkit, RTK und Reg23 in Plastimatch), der Allgemeinheit zur Verfügung gestellt.

Im Zuge des Kooperationsprojekts DEXTER zwischen radART (Österreich) und CREATIS (Frankreich) wurden neuartige Dual-Energie Röntgenbildgebungstechniken zur potentiellen Verbesserung der Genauigkeit bei Patientenpositionierung und Bestrahlungsplanung in der Strahlentherapie untersucht und entwickelt. Die Experimente und Methoden fokussierten dabei auf einen neuartigen Cone-Beam Computertomographie (CBCT) Scanner, den ImagingRing (medPhoton, Österreich), der in einer Forschungskonfiguration folgende Schlüsseloptionen für Röntgenbildgebung umfasst: (A) unabhängig voneinander rotierbare Röntgen- und Detektorarme für variable Sichtfeldrealisierung, (B) Dual-Energie Bildgebung durch alternierende Energieselektion von Bild zu Bild mit zusätzlicher Energiespektrums- aufweitung durch das Einbringen von spezifischen Filtermaterialien in den Strahlengang. Das DEXTER Projekt ermöglichte die Entwicklung geometrischer Kalibriermethoden einschließlich des Entwurfs eines Kalibrierphantoms, um (A) ausnutzen zu können. Darüber hinaus wurden neue Methoden zur (Intensitäts-)Kalibrierung der Röntgenbilder entwickelt und verifiziert, die die variable Bildgebungsgeometrie (A) und Dual-Energy-Eigenschaften (B) unterstützen. Basierend auf diesen Entwicklungen, sowie Anpassungen bereits bestehender Open-Source-Software der Projektpartner, wurde ein effizienter Algorithmus für die tomographische Rekonstruktion von volumetrischen Informationen aus ImagingRing-Rohdaten und ein 2D / 3D-Bildregistrierungsverfahren zur räumlichen Ausrichtung eines Referenz CTs mit ImagingRing-Röntgenaufnahmen entwickelt und verifiziert. Außerdem wurde ein realistisches Röntgen-Computermodell des ImagingRings abgeleitet und mit Röntgendaten unterschiedlicher Energien validiert, sodass es für die Dual-Energie-Entwicklungen genutzt werden konnte. Durchgeführt Dual-Energie Untersuchungen umfassten auf Basis von CBCTs die Abschätzung von Partikelreichweiten für potentielle Verbesserungen in der Behandlungsplanung (Partikeltherapie) und die Separierung von Weichteil- und Knochengewebe in Röntgenbildern, um potentiell die Robustheit und Genauigkeit von 2D / 3D-Registrierungsmethoden zu verbessern. Die Zusammenarbeit und die intensiven Forschungsaktivitäten von radART und CREATIS im Projekt haben bislang 8 Facharbeiten in wichtigen Medizinphysik-Zeitschriften sowie 14 Beiträge in Berichtsbändern internationaler Fachkonferenzen hervorgebracht. Ein Teil der relevanten Software-Entwicklungen ist über Open-Source-Plattformen zugänglich, die auch in Teilen bereits klinisch genutzt werden. MedAustron, Österreichs erstes Partikeltherapiezentrum und erste ImagingRing-Installation, war und ist ein wichtiger (prä-)klinischer Partner von radART und unterstützte das Projekt mit Datenerfassung, Auswertung und Experimentdurchführung. Die enge Zusammenarbeit mit der Klinik und den anderen beteiligten Partnern wie medPhoton (ImagingRing Hersteller), sowie die Forschungsergebnisse des DEXTER Projekts machen in anknüpfenden Forschungsprojekten eine schrittweise Translation der entwickelten Methoden in die internationale Klinik im Bereich der Strahlentherapie wahrscheinlich.