Bildgebung in der Strahlentherapie: ein Überblick€¦ · November 2014, Andreas Lindbaum 1 Bildgebung in der Strahlentherapie: ein Überblick 11. Linzer Forum Medizintechnik, 5

11. Linzer Forum Medizintechnik, 5. November 2014, Andreas Lindbaum 1

Bildgebung in der Strahlentherapie: ein Überblick

11. Linzer Forum Medizintechnik, 5. November 2014

Andreas Lindbaum (FH OÖ, Campus Linz, Studiengang Medizintechnik)

Abbildung: Enghardt et al., Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A 525, 284-288 (2004)


Inhalt:

• Motivation

• Bildgebung im Bestrahlungsraum unmittelbar vor und während der Bestrahlung ( Image-Guided Radiation Therapy IGRT)

• Beispiele für bildgebende Systeme für die IGRT ohne ionisierende Strahlung

• Besonderheiten der Partikeltherapie

• In Situ Dosismonitoring in der Partikeltherapie

• mittels PET

• mittels prompt-γ Emission

• Schlussfolgerungen


Motivation:

Faktoren, welche die Präzision der Bestrahlung mindern:

Fehler im „Setup“:

Ungenauigkeiten in der Positionierung von knöchernen Referenz-Strukturen relativ zum Koordinatensystem des Bestrahlungsgerätes

Beispiele für Ursachen:

• Verschiebung von Haut-Markierungen

• Bewegungen

• andere Fehler bei der Patienten-Positionierung

Organbewegungen:

Veränderungen von Lage und Form des Ziels (z.B. Tumor) und von Normalgewebe relativ zu den knöchernen Referenz-Strukturen

Beispiele für Ursachen:

• Atmung

• Herztätigkeit

• Bewegungen des Darms

• Volumsveränderung der Harnblase

Notwendigkeit der Verwendung von bildgebenden Systemen nicht nur bei der Bestrahlungsplanung, sondern auch direkt beim Bestrahlungsgerät (inkl. einer robotergesteuerten Patientenliege mit 6 Freiheitsgraden) IGRT (erfordert schnelle Algorithmen zur Bildregistrierung, d.h. Koordinatensysteme der Planungsbilder und der Bilder vor/während der Bestrahlung müssen in Übereinstimmung gebracht werden)


Bildgebung im Bestrahlungsraum unmittelbar vor und während der Bestrahlung ( Image-Guided Radiation Therapy IGRT)

Beispiel: TRILOGY (Varian)

Portal Imaging Device: Bildgebung mit der Strahlungsquelle des Linearbeschleunigers (LINAC), d.h. Bildgebung mit Megavolt-Photonenstrahlung ermöglicht gute Abbildung von knöchernen Strukturen ( Verifikation der Patienten-Positionierung) und Verifikation der Bestrahlungs-Dosis

On Board Imager (Bildgebung mit Kilovolt-Photonenstrahlung) erlaubt Bildgebung auch mit gutem Weichteilkontrast (2D Projektions-Röntgenbilder, Röntgendurchleuchtung, 3D-Cone-Beam-CT) Bewegungen können erfasst und berücksichtigt werden – vor und während der Bestrahlung (z.B. auch in Kombination mit IR-reflektierenden Markern, die von einer IR-Kamera erfasst werden, um den Atemzyklus zu verfolgen)

Drehbare Gantry

Therapie-strahl


Beispiel: VERSA HD (Elekta) – grundlegendes Design ähnlich zu TRILOGY (Varian)


Beispiel für einen ring-basierten Aufbau: VERO (Brainlab/MHI)

2 unabhängige Kilovolt-Röntgenbildgebungssysteme: 2D-(Stereo-)Röntgen, 3D-Cone-Beam-CT

Portal Imaging Device

± 60° drehbar

Ring um 360° drehbar

Therapiestrahl: Strahlaustritt des Linearbeschleunigers ist zusätzlich in 2 Ebenen schwenkbar Kompensation von Bewegungen während der Bestrahlung (real-time tumor-tracking)


Beispiel: CTVision (Siemens): CT „on rails“ mit drehbarem Behandlungstisch direkt beim Linearbeschleuniger

Beispiel (Siemens): In-line Cone-beam CT mit dem Photonenstrahl des LINACs, dessen Energiespektrum durch Verwendung von speziellen Targets für die Bildgebung optimiert werden kann (Spektrum zu weicherer Strahlung hin verschoben besserer Weichteilkontrast): Vorteil: höhere Präzision durch gemeinsames Isozentrum des Behandlungs- und Bildgebungs-Strahls.

Detektor für Cone-Beam-Imaging

Photonenstrahl für Bildgebung kommt von LINAC


Beispiel: Imaging Ring (medPhoton): geeignet für die Integration auch in Partikeltherapie-Systeme (z.B. MedAustron) Abbildungen: M. Hubauer-Brenner, medPhoton GmbH (am Institut für Technologieentwicklung in der Strahlentherapie an der Universitätsklinik für Radiotherapie und Radio-Onkologie, Salzburg)

Detektor und Röntgenquelle unabhängig voneinander drehbar

Ermöglicht:

- planare Bildgebung - Cone-Beam-CT - Großes Field of View (FOV) - Dual-Energy Bildgebung (zur Verbesserung des Weichteilkontrasts) - Isozentrische und nicht-isozentrische Bildgebung


Beispiele für bildgebende Systeme für die IGRT ohne ionisierende Strahlung

IGRT mit Ultraschall: Typische Anwendung: • Konturen des Zielgebiets werden mittels US und/oder CT bei der Bestrahlungsplanung

erstellt.

• Diese Konturen werden dann mit US-Bildern verglichen, welche unmittelbar vor der Bestrahlung im Bestrahlungsraum gemacht werden Kontrolle bzw. Korrektur der Position des Zielgebiets.

• Vorteile: keine Strahlenbelastung, schnell, kostengünstig

• Nachteile: Genauigkeit hängt stark vom Anwender ab, Druck der US-Sonde kann zu Gewebeverschiebungen führen, generell ungenauer als z.B. Cone-Beam CT, ungeeignet für Gebiete hinter Knochen

IGRT mit Kamera-basierten Systemen: Typische Anwendungen: z.B.: Monitoring der Atmung ( gating), Anpassung der Patientenposition bei der Behandlung von Brustkrebs


IGRT mit Magnetresonanztomografie (in Entwicklung): Zwei Lösungsansätze:

2) Lösungen mit getrennten Geräten (plus Patienten-Transfer-System): Beispiel Universitätsklinik Umea (Schweden): Abbildung: D.A. Jaffray, Univ. Toronto, 2014

1) Integrierte Systeme, d.h. LINAC (oder Cobalt-60 Strahlungsquelle) und MRT sind in einem Gerät integriert: erlaubt MR-Bildgebung (hoher Weichteilkontrast) während der Bestrahlung

Abbildung: J.J.W.Lagendijk, Department of Radiotherapy University Medical Center Utrecht

Beispiel UMC Utrecht: Prototyp mit fixiertem supraleitenden 1,5 Tesla Magneten und LINAC mit Gantry (in Kollaboration mit Philips Healthcare und Elekta):


Große technische Herausforderung (vor allem für integrierte Systeme):

• MR-Empfangsantennen müssen von den EM-Feldern des LINAC abgeschirmt werden

• LINAC muss vom Magnetfeld des MRT-Gerätes abgeschirmt werden (Lorentz-Kraft: Elektronenbahnen im LINAC werden durch ein Störmagnetfeld abgelenkt Störung der Photonenerzeugung Störung der Dosisverteilung)


Besonderheiten der Partikeltherapie, d.h. der Bestrahlung mit geladenen schweren Teilchen (z.B. mit Protonen oder Kohlenstoff-Ionen):

1) Charakteristischer Tiefendosisverlauf mit ausgeprägtem Maximum in der Tiefe (Bragg-Maximum)

U. Weber, G. Kraft, Cancer Journal 15 (2009)

2) Aktive Strahlführung durch elektrische und magnetische Felder


Ein dünner Strahl (pencil beam technique) wird Voxel für Voxel auf den Tumor angewendet. Wenn die gewünschte Dosis in einem Voxel erreicht wird, kommt der nächste Voxel an die Reihe:

Abbildung: Prinzip des intensity-controlled magnetic scanning systems der GSI. Strahlenergie: 80 bis 430 MeV/u 12C-Ionen Haberer et al., Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A 330 (1993)

Aktive Strahlformung (Abtastsysteme, Raster-Scan-Verfahren, scanning beam systems):


erlaubt eine präzisere Bestrahlung

von tiefgelegenen Tumoren

nahe an Risiko-Organen,

vor allem dann, wenn die Tumore eine hohe Strahlenresistenz gegenüber konventioneller Strahlung (Photonen, Elektronen) aufweisen.

d.h. aber auch: noch höhere Präzision als bei der konventionellen Bestrahlungstherapie mit Photonen erforderlich!

Während der Bestrahlung ist neben dem Einsatz von vorher besprochenen bildgebenden Systemen (wie z.B. Cone-Beam CT) auch eine Verifikation der im Patienten applizierten Dosis wünschenswert.


Dosismessung im Patienten während der Bestrahlung durch in-vivo in-beam PET-monitoring:

D. Schardt, T. Elsässer, D. Schulz-Erner, Rev. Mod. Phys. 82, 1 (2010)

In Situ Dosismonitoring in der Partikeltherapie mittels PET

Erklärung: Durch die Bestrahlung mit schweren Ionen können durch Kernreaktionen auch radioaktive Atomkerne im Gewebe entstehen („Autoaktivierung“), die β+-aktiv sind (Positronenstrahler). Bei Bestrahlung mit 12C-Ionen beispielsweise wird ein kleiner Teil der Ionen (<1%) in β+-aktive 11C-Ionen umgewandelt, welche ein sehr ähnliches Eindringverhalten wie die ursprünglichen 12C-Ionen haben und mit PET-Bildgebung erfasst werden können. D.h. die PET kann das β+-Aktivitätsprofil bestimmen, welches mit der applizierten Dosis zusammenhängt.


Zusammenhang zwischen β+-Aktivitätsprofil und Dosis:

β+-Aktivitätsprofil eines PMMA-Targets durch Bestrahlung mit 260 MeV/u 12C-Ionen (rechts) und 140 MeV Protonen (links). Activity: Tiefenprofil der β+-Aktivität Dose: Tiefendosisprofil des primären Strahls Bei Protonen gibt es keinen ausgeprägten Peak im β+-Aktivitätsprofil, da hier keine β+-aktiven Atomkerne entstehen, die sich wie die Primärteilchen als Projektile in Primärstrahlrichtung weiterbewegen.

Abbildung: K. Parodi et al 2005 (IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE Vol. 52) 260 MeV/u 12C-Ionen 140 MeV Protonen


Abbildung: Beispiel für in-beam PET-monitoring bei der Bestrahlung eines Kopftumors. Links: Geplante Dosisverteilung in Überlagerung mit dem CT-Bild. Das Zielvolumen und der Hirnstamm als Risikoorgan sind hervorgehoben. Mitte: Vorhergesagte β+-Aktivitätsverteilung, berechnet aus dem Bestrahlungsplan. Rechts: Gemessene β+-Aktivitätsverteilung. Der Vergleich mit der Vorhersage zeigt, dass die Ionen vor dem Hirnstamm gestoppt wurden. Enghardt et al., Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A 525, 284-288 (2004)


In Situ Dosismonitoring in der Partikeltherapie mittels prompt-γ Emission

Neuer Ansatz zur Echtzeit-Dosismessung (in Entwicklung)

Prinzip: Partikel (z.B. Protonen) führen, wenn sie in Materie eindringen, zu Wechselwirkungen, welche einzelne γ-Photonen erzeugen

Diese Prozesse laufen sehr schnell ab, d.h. die γ-Photonen entstehen in weniger als 1 Nanosekunde nach den Reaktionen der Protonen entlang ihres Wegs durch die Materie ( Bezeichnung prompt)

Ziel: Abbildung des tatsächlichen Dosisprofils entlang des Pfads eines pencil-beam Partikel-Strahles durch das Gewebe

Wäre von großer Bedeutung für die pencil-beam-Abtastung eines Tumors


F. Roellinghoff et al., Phys. Med. Biol. 59 (2014) 1327–1338 Real-time proton beam range monitoring by means of prompt-gamma detection with a collimated camera Experimenteller Aufbau (mit einem single-slice Detektor, in der klinischen Anwendung würde ein multi-slice Detektor verwendet werden):


F. Roellinghoff et al., Phys. Med. Biol. 59 (2014) 1327–1338 Real-time proton beam range monitoring by means of prompt-gamma detection with a collimated camera Ergebnis:

Blau: ohne Time of Flight (TOF) Korrektur Grün: mit TOF Korrektur (Neutronen-Hintergrund minimiert) Rot: Differenz zwischen Messung ohne TOF und mit TOF

Strahleintritt in das PMMA-Target

Position des Bragg-Peaks (Energie der Protonen: 160 MeV)

Fazit: Lage des Bragg-Peaks kann mit einer Ungenauigkeit von 1-2 mm bestimmt werden.


Schlussbemerkungen:

IGRT ist in einer sehr schnellen Entwicklung: Es ist davon auszugehen, dass ca. 80% der aktuell neu verkauften Bestrahlungs-LINACS mit einem cone-beam CT für die IGRT ausgestattet sein werden (siehe z.B. D.A. Jaffray 2014 in Intraoperative Imaging and Image-Guided Therapy)

Die IGRT und die dadurch ermöglichte Anpassung der Bestrahlung an Veränderungen (d.h. Betrachtung als „4D-Problem“ adaptive Strahlentherapie) ermöglicht die Anwendung von aggressiveren Behandlungsplänen: insgesamt höhere Tumordosis bei gleichzeitiger Schonung des Normalgewebes weniger Fraktionen kürzere Behandlungszeiträume

Zur Zeit wird die IGRT weiterentwickelt auch z.B. in Richtung MR-IGRT und spezieller Verfahren für die Partikeltherapie.


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !

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