Echtzeit 2D/3D Registration in der Strahlentherapie

Basierend auf früheren Forschungsarbeiten unserer Arbeitsgruppen im Bereich der 3D Patientenpositionsbestimmung planen wir die Entwicklung von 2D/3D Registrationsverfahren zur direkten Detektion von Tumorbewegungen während der bildgestützten Strahlentherapie. Hierbei sollte die Registrationsrate 5 Hz letztendlich nicht unterschreiten. Das Ergebnis unserer Anstrengungen wird ein Soft- und Hardwaresystem sein, das das Tumorzielgebiet während der Bestrahlung auf einer in Echtzeit aufgenommenen Röntgenaufnahme in 3D verfolgt und den Therapiestrahl unterbricht, wenn eine unzulässige Verschiebung des Gewebes erkannt wird. In der bildgestützten Strahlentherapie oder image-guided radiation therapy (IGRT) werden während der Behandlung Röntgenaufnahmen gewonnen, die die Bestimmung der Lage des Tumors relativ zur Bestrahlungsplanung erlauben. Es handelt sich hierbei derzeit um eines der aktuellsten Forschungsgebiete der Medizinischen Physik. Sogenannte on-board imager erlauben neben konventionellen Röntgenbildern auch die Aufnahme von cone-beam Computertomographien (CBCT). So kann auf täglicher Routinebasis die Bewegung des Tumorzielgebietes durch Gewichtsverlust, Verschiebung interner Organe und ungenaue Patientenlagerung kontrolliert und gegebenenfalls korrigiert werden. Die Kompensation von kurzfristigen Bewegungen wie z. B. der Atmung kann so jedoch nicht erzielt werden und erschwert die präzise Tumorbestrahlung im Bereich des Thorax und des Abdomens beträchtlich. Einige Forschungsarbeiten beschäftigen sich daher mit der Verfolgung von implantierten Goldmarkern auf Röntgenaufnahmen oder mit der Verwendung von in das tumornahe Gewebe implantierbaren Positionsmesssensoren. In dem vorliegenden Projekt planen wir, dasselbe Ziel mit 2D/3D Registrationsverfahren zu erreichen. Diese sollen im Rahmen des Projektes soweit beschleunigt werden, dass eine Detektion von Tumorbewegungen in Quasi-Echtzeit ermöglicht wird. Die aufwändige Implantierung von Markern oder Sensoren entfällt somit. Das soll erreicht werden, indem einige der von uns entwickelten Algorithmen zur ultraschnellen Erzeugung von digital erzeugten Radiographien oder digitally rendered radiographs (DRR) und zum robusten Bildvergleich bei der iterativen Registration (wie z. B. die so genannte stochastische Rangkorrelation) auf schneller Standardhardware implementiert und optimiert werden. Dem Stand der Technik entsprechendes IGRT Equipment und die klinische Expertise aus der Strahlentherapie sind vorhanden. Ausführliche präklinische und klinische Studien in enger Zusammenarbeit unserer Abteilungen sowie dosimetrische Untersuchungen sollen den Fortgang des Projekts begleiten. Des Weiteren ist eine enge Zusammenarbeit mit der Fachhochschule Technikum Wien, Studiengang Biomedical Engineering und Fachbereich Biomedizinische Informatik, geplant. Im Detail ist die Ausschreibung mehrerer Masterarbeiten vorgesehen. Die Laufzeit des Projekts soll drei Jahre betragen. Innerhalb dieses Zeitraums wird eine ausführlich getestete Implementierung unserer Algorithmen vorliegen. Eine Registrationsrate von 5 Hz stellt hierbei unser Ziel dar. Die Ergebnisse unserer Arbeit sollen in Journalartikeln, Patenten und durch die enge Zusammenarbeit mit Anbietern aus dem Medizintechniksektor verbreitet werden.

Ziel des Projekts war es, ein Bewegungsmuster für die Bestrahlung von Tumorgewebe aus Röntgenaufnahmen, die während der Behandlung gewonnen werden zu errechnen. Beispielsweise sorgt die Atmung für eine beträchtliche Unsicherheit in der Lokalisierung von Lungentumoren. Dementsprechend muss ein größeres Areal bestrahlt werden, was das gesunde Gewebe schädigt und naheliegenden Organe gefährdet. Durch die Simulation von Röntgenaufnahmen aus dreidimensionalen Computertomographiedaten ist es möglich, diese Bewegung zu bestimmen. Voraussetzung hierfür ist aber ein Softwaresystem, das hinreichend schnell eben jene Simulation ausführt. Die Entwicklung eines solchen Systems war Gegenstand des Projekts. Durch algorithmische Weiterentwicklungen und unter Nutzung moderner Computerhardware konnte das Projektziel erreicht werden. Unsere Resultate zeigen, dass eine Verfolgung des Clinical Target Volume - also des zu bestrahlenden Areals innerhalb von 0.2 Sekunden mit einer Genauigkeit von ca. 2 mm machbar ist. Frei verfügbarer Forschungsartikel: Gendrin C, Furtado H, Weber C, Bloch C, Figl M, Pawiro SA, Bergmann H, Stock M, Fichtinger G, Georg D, Birkfellner W. Monitoring tumor motion by real time 2D/3D registration during radiotherapy. Radiother Oncol 102(2):274-80, 2012 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3276833/