Strahlentherapie und Onkologle © Urban & Vogel 2000

Technische Note

Eine einfache Methode zum Ubertragen von MR-Informationen auf Simulationsfilme Ein technischer Hinweis

Wolfgang Wagnerl, Klaus Ostkamp2, Ulrich Niewohner-Desbordes1

Hintergrund: Die Integration v~n MRT-Bildinformation in die cr-Bestrahlungsplanung bleibt bislang aufwlindig und zeitraubend. Elektrooptische Ubertragungsverfahren und Post-Processing-Software beinhalten zuslitzliche Verzer­rungsrisiken. Patienten und Methode: 1m Zeitraum Juni 1998 bis Juni 1999 wurden bei 48 Hirntumorpatienten und elf Patienten, die sich einer primliren Prostataradiatio unterzogen, parallel ~lanungs-cr und -MRT durchgefiihrt, wobei die Bildakquisi­tion auch im MRT in Bestrahlungsposition erfolgte. Die Obertragung von Organ- und Tumorvolumina geschah durch Direkttibertragung von der MRT- auf die Simulationsaufnahme unter Verwendung eines Orientierungsgitters und eines identischen definierten VergroBerungsmaBstabes. Ergebnisse: Bei neun Himtumor- und bei zwei Prostatakarzinompatienten fUhrte die zusatzliche Obertragung der MRT-Bild-Information zu einer Modifikation der aus der Bestrahlungsplanung resultierenden Feldkonformierung mit­tels Abschirmblticken bzw. zu einer Korrektur der in der Nachplanung vorgenommenen Feldlokalisation. Schlussfolgerung: Das einfache Verfahren der Direktprojektion von auf MRT -Aufnahmen markierten Strukturen in Si­mulationsaufnahmen beliebiger Einstrahlrichtung ermoglicht eine Plausibilitatskontrolle der aus dem Planungsprozess hervorgehenden Feldanordnung und Feldkonformierung und lasst im weiteren auch eine zielvolumenorientierte Di­rekteinzeichnung von Ausblockungen in Simulationsaufnahmen zu.

Schliisselworter: Bestrahlungsplanung . MRI-Simulation . Obertragung von MR-Informationen auf den Simulationsfilm

A Simple Method to Transpose MRI-Informations to the Simulation Portal films. A Technical Note

Background: The use of MRI information in the treatment planning process is still expensive and time consuming. Electro-optical devices or specially designed post-processing software inhere the risk of picture distortion. Patients and Methods: Between June 1998 and June 1999 in 48 patients with brain tumors and 11 patients with carcinoma of the prostate cr treatment planning and MRI were performed with identical patient positioning using the same devices as in the simulation. The transposition of organ and tumor volumes between MRI and simulation film takes place by overlying both on the brightening screen by using a grid. MRI and simulation films must be produced using an identical magnification factor. Results: For 9 patients with brain tumors and 2 patients with a carcinoma of the prostate the transposition of MRI information on the simulation films showed the necessity of a modification of the shielding or the treatment portals. Conclusions: The simple method of direct transposition of MRI structures into simulation films allows to accomplish a verification of the portals and conformation which result of the treatment planning process. Moreover an individualized shielding can also directly be realized.

Key Words: Treatment planning· MRI-simulation . Matching of simulation and MRI films

tparacelsus-Strahlenklinik,OsnabrUck, 2Praxis in Rheine.

Eingang des Manuskripts: 30. 7. 1999. Annahme des Manuskripts: 10. 3. 2000.

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Wagner W, et al. Uhertragllng von M R-Inforll/{I(ionell lIlI! Simlll{l(iom:f/Ime

D er Nutzen der MRT fUr die Bestrahlungsplanung ist seit mehr als einer Dekade insbesondere fUr Hirntumo­

ren und Tumormanifestation im Bereich des Beckens unbe­strillen. 1m Vergleich zur CT erreicht sie eine hohere Sensi­tivitlit und Spezifitlit. Zahlreiche Autoren haben gezeigt, dass durch den Einbezug der aus der MRT gewonnenen dia­gnostischen Information in die Bestrahlungsplanung eine Reduzierung des Behandlungsvolumens moglich is!. Kom­merziell erhliltliche Therapieplanungssysteme lassen bislang keine direkte Integration der MRT-Information zu. Die Bemtihungen ihrer Einbindung in den Therapieplanungs­prozess sind bislang aufwlindig und zeitraubend [5.8. 10. II) .

Die hier vorgestellte Moglichkeit der Direkttibertragung von Strukturen aus MRT-Aufnahmen jeglicher Schichtfiihrung in die entsprechenden Simulationsaufnahmen kann in jede r Einrichtung, die Zugriff auf einen MRT hat. durchgefUhrt werden .

Methoden

Hirntumoren

Die Vorsimulation erfolgt unter Immobilisation millels ei­nes kommerziell erhaltlichen Maskenhalterungsystems (Sin­med<"). die gewohnlich in Anteflexion erfolgt, und dient <.Ier vorlliufigen Festlegung von Zentralstrahlebene und Feldllin­ge anhand der bereits vorliegenden Bildgebung. In Abhan­gigkeit von der Tumorlage erlaubt die Anteflexion oft erst die Realisation anderer als seitlich opponierender isozentri­scher Feldanordnungen. urn so ohne Tischdrehung eine Schonung von Bulbi und Hirnstammregionen zu erreichen.

Planungs-CT und -MRT werden in identischer Lagerung wie die Simulation untcr Verwendung derselben Fixationshilfen durchgeftihrt. weshalb die MRT-Untersuchung in der Kar­perspule erfolgt. Zentralstrahleintrittspunkte und Feldgren-

zen werden mittcls Glyccrolkapseln sowie durch Perfusor­schlliuche. die mit Gadolinium gefUllt sind. markiert. Hier­durch werden die Reproduzierbarkeit der Patientenlagerung [3. 7) sowie das AusmaB der Erfassung des Tumorvolumens durch die gewahlten provisorischen Feldgrenzen dokumen­tierl.

Die MRT-Aufnahmcn werden entweder als Tl- und T2-Spinecho-Sequenzen in transversaler. sagittaler und korona­rer SchichtfUhrung oder primar als 3D-Sequenzen angefer­tigt. Das zweite Verfahren ermaglicht nach Abschluss des Planungsvorgangs die Darstellung der Schadeltopographie in der Raumrichtung, die jeweils einer Einstrahlrichtung der herzustellenden Bestrahlungsanordnung entspricht.

Sowohl die MRT- als auch die Simulationsaufnahmen werden mit einem festgelegten VergroBerungsmaBstab angefertigt. In die MRT-Aufnahmen wird zusatzlich ein Grid eingespielt. sodass sie anschlieBend direk t mit einer Si­mulationsaufnahme, die eine Einstrahlrichtung abbildet, die der jeweiligen MRT-Schichtfiihrung entspricht, tiberlagert werden konnen. Nach Simulation der Feldanordnung, die sich aus der CT-Rechner-Planung ergibt, erfolgt dann im ers­te n Schritt die Obertragung des Tumorvolumens von einer paramedianen auf die die Medianschicht wiedergebende MRT-Aufnahme. was durch die Oberlagerung der Grids leicht moglich ist. Sodann kann dieses Volumen zum Beispiel auf einen lateralen Simulationsfilm iibertragen werden (Ab­bildung I).

In der taglichen Praxis werden zwei bis drei paramediane MRT-Aufnahmen benotigt, die jeweils am Lichtkasten mit der Medianschicht-MRT-Aufnahme tiberlagert werden, urn so die maximale Tumorausdehnung in diese Aufnahme ein­zuzeichnen. 1m zweiten Schritt kann sodann unter Zuhilfe­nahme von anatomischen Referenzstrukturen (Frontalsinus, Sella turcica, harter Gaumen. Schadeldecke usw.) das Tu-

C::.:'::::::.:. ~ ~: .. .. )is Ie. Die sagittale Planungs-MRT-Aufnahme (a) zeigt das Tumorvolumen in seiner maximalen Ausdehnung. Mithilfe des C :: c~.': :;:; · . .... >: . ~rs (Grid) wird es auf die Millellinienschnillaufnahme tihertragen (b). Anschlie3end wird diese mit der entsprcchenden (hier: L,;;i., ~'" :;;; .... ,u,,"ionsaufnahme tiherlagert (c), sodass das Tumorvolumen direkt auf diese tibertragen werden kann. Dic Ausrichtung gelingt unler Zuhllfenahme des Grids. der in Zentralstrahlebene positioniert ist , sowit: anatomischcr Landmarken. AbschlieBend ist die Oherpriifung der Position von aus der Bestrahlungsplanung resultierenden Abschirmblocken genauso einfach moglich wie deren direkles Einzeichnen auf dem Simulations film.

Figures 18 ~o Ie. The tumor volume in its greatest extent in a parasagittal plane is seen on the left MRI (a). With help of the grid it is transposed tothe mldhne plane (h). Afterwards the sagittal MRI with the transposed tumor volume is matched with the lateral simulation film (c) on the hr~ghtenmg screen with the help of the grid which is positioned in the plane of the central beam and of anatomical landmarks. Verification of shleldmg whIch results from the treatment planning process or individualized shielding on the simulation film can easily be accomplished.

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Wagl/er W, el al. Ohe,.Iragllng VOI/ M R-ln/iJr/J/aliol1C'r/ illII Sinllllaliollsfilll1{,

Ahhildung 2. Oh~n: Lat~rak und kOl"Onare: MRT-Aurnahm~ mit Ahhildllng von Prustata und nach~eze:iehndc:r He rv(~rh c hlln~ der kniicherncn Landmarken (Femurkiipk. Wir­hdkiirpcr. Symphyse. Os sacrum) und dcr luft­gdUlltcn Rektumsond~. Dcr in die Prostata projizierk Grid repr[isenticrt den Z~ntral­strahl. Die k()fonarc SehichtfUhrlln~ nlauht aufgrund des Ansehniltsphiinomcns an der Blasenhinlcrwand die Ahgrenzung der Sa­m~nhlascn nich!: die: Ausd.:hnung naeh kranial liisst sich aher aufgrund der ide~tischen Posi­tionierung des (irids in kraniokaudalcr Rich­tung hei Verwendung Jes glcichen sagilla­len und kownaren VergriilkrungsmaBstahs mUhdos yon d~r sagillalcn Aufnahme Uhertra ­gen. - Unten: nas Prostalavolumen WUfJe: so­~vohl auf Jen antcriopostcriorcn als auch auf de:n late ralcn Simlliationsfilm Uhertragen . ent­spricht aher in Jer anterioposterioren Aufnah­mc nicht delll vollsliindigcn Tumorvolumcn «(iTV) . sond~rn lediglich lIe:r koronar ah­grenzharcn Prnstataausdehnung. Bcim dirck­\en Einzcichncn von Ahsehirmhliieken auf dcn Simulationsaufnahmen hzw. hei OherprUfung von durch die Bestrahlungsplanung generier­kn Ahschirmbliicken ist Jies zur individucllen Aushkndung zu heachlen.

Figure 2. Upper row: Lateral and fronl a l MRI showing the prostate as wdl as hony land­marks (t'cmoral heads. vertehra. sacrum and symphysis) and the air-filled rectal ha lloon. The grid is plae~d in the: prostate: and n:pre­sents Ihe central heam. In the coronal planes the seminal vesicles cannot he distinguish~d of the poslerior wall of the hladder. hut the ex-

tension in the cranio-caudal direction can e:asily be transkrre:d by using the: grid he:e:ause: of the: ide:nticalmagnification factor. - In the lowe:r row Ihe volume of the prostate has been transferred to till: antero-poslerior and the lakral simulation fill11 . In the ankro-posl<:rior simulation film it is not identical wilh the GTV; it represents only the part of the volullle of th~ prostate. which can he recognized in the coronal MRls. It is nec­essary for the individualized shielding or Ihe verifica tion of shielding which r.:sults of the treatment planning process 10 takl: notice of this point.

rnorvolurnen durch die Oherlagerung diescr Mittelschnitt ­MRT-Aufnahmc mit dem Sirnulationsfilm direkt auf dem letzteren eingezeichnet werden. da die Akquisition der MRT-Aufnahmc n in Bestrahlungsposition erfolgl ist.

Urn ein Tumorvolumen in cincn Simulationsfilm zu tihertra­gen, der eine andere als cine Iate rale Einstrahlrichtung ahhil­det, wird ide ntisch vorgegangen . Die Tumorvolumina wer­den zunachst auf die MRT-Aufnahme tibertragen, die den gro13ten Schade ldurchmesse r aufweist. der sodann mit dem Simulationsfilm tiherlagert wird .

Die Technik erlaubt eine Plausihilitiitskontrollc del' reali­sierten Feldanordnung ehenso wie cine Oherprtifung hzw. Modifizierung der mithilfe der CT-Bestrahlungsplanung ge­nerierten Abschirmsatellitcn.

Beckenillmoren: ZlIfll Beispiel Pros/awkarzinolll

Die Vorsimulation erfolgt in Rtickenlage unter Applikation eines Rektumballonkatheters. in den zur Distanzierung de r Rektumhinterwand von der Prostata 30 ml Luft insuftliert werden . Nach Festlegen der kraniokaudalen Feldgrenzcn werden ein Planungs-CT und ergiinzend e in Phmungs­Becken-MRT in identischer Lagerung angefertigt. Die MRT-Bildakquisition wird wie ooen beschrieben durchge­fUhrt, die Markicrung von Feldgrenzen und Zentralstrahl cr-

Strahlcnther OnkoI20(X):17ti:23S-!! (Nr. S)

folgt analog. Nach erfolgter CT-Bestrahlungsplanung. wer­den Simula tionsaufnahl11en im anterioposterioren und till la­teralen Strahlcngang mit dcfiniertcm Fokus-Film-Ahsland angcfertigt.

Falls die den Medianschnitt repriisentierende sagittalc MRT-Aufnahme nicht zuglcich die maximalc Prostataaus­dehnung wiedergibt, erfolgt die Obertragung des maxil11alcn Volumens analog zum unter "Hirntumoren" heschriebenen Verfahren zuniichst in die Medianschnitt-MRT-Aufnahme. Nach Markien.:n typischer anatomischer Landmarken (Wir­belkorpcr. Kreuzbein . Symphysc) erfolgt die Obertragung der Prostatakontur dirckt durch Uhereinanderlegen von MRT- und lateraler Simulationsaufnahme (Ahbildung 2).

Die grti13te sich aus den verschiedenen koronaren Schicht­ehenen ergehende Prostatakontur wird in die koronare MRT-Aufnahme tihertragcn. die die Htiftkopfe im maxima­len Querschnitt zeigt . nachdcm zuvor eine Wirhelkorpcr­kontur in diesc cingezcichnct wurdc . Sodann Hisst sich die Superponierung mit dem anterioposterioren Simulationsfilm durchfUhrcn .

Ergebnisse und Schlussfolgerung

1m Zeitraum Juni I <)<)X his Juni 1<)<)<) erfolgte hei 4X Hirntu­morpatienten und hei elf Paticnten. die si~h eincr primiiren

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Wagner W, et al. Obertragung von MR-Informationen auf Simulationsfilme

Prostataradiatio unterzogen, parallel zur CI'-Rechner-Pla­nung die erganzende Durchfilhrung einer Planungs-MRT.

Die aus der Bestrahlungsplanung resultierende Konformie­rung mittels AbschirmblOcken wurde nach der beschriebe­nen Uberlagerung bei insgesamt neun Hillen bei Himradia­tio im Sinne einer Volumeneinschrankung modifiziert, bei zwei Patienten wnrde eine Feldverbreiterung erforderlich. In zwei Fallen von Prostataradiatio wurde aufgrund der MRT­Ubertragnng eine kraniokaudale Feldverschiebnng nnd Mo­difizierung der Abschirmblockkonfiguration mit anschlie­Bender Nachplanung erforderlich.

Die MRT erlaubt eine bessere Abgrenzbarkeit zwischen Tu­mor- und umliegendem NormaIgewebe. Das in die Simula-

Literatur 1. Algan C, Hanks GE, Shaer AH, et a!. Localization of the prostatic apex

for radiation treatment planning. Int J Radiat Oneol BioI Phys 1995; 33:925-30.

2. Beard CJ. Kijewski p. Bussiere M. et al. Analysis of prostate and seminal vesicle motion: implications for treatment planning. Int J Radiat Oncol Bioi Phys 1996;34:451-8.

3. Fisher G. Mattbaei D, Carduck HP, et al. Use of surface markers for MR radiotherapy planning. Strahlenther OnkoI1994;170:169-73.

4. Flentje M, Zierhut D, Schraube P, et at. Integration of coronal magnetic resonance imaging (MRI) into radiation treatment planning of mediasti­nal tumors. Strahlenther OnkoI1993;169:351-7.

5. Fraas BA, McShan DL, Diaz RF, et at. Integration of magnetic resonance imaging into radIation therapy treatment planning: I. Technical considera­tions. Int J Radiat Oncol BioI Phys 1987;13:1897-908.

6. Gerber. RL, Smith AR, Owen ], et al. Patterns of care survey results: treatment planning for carcinoma of the prostate. Int J Radiat Oncol BioI Phys 1995;33:803-8.

7 Grevelhorster T. Potter R, Prott FJ, et al. Aspekte zur Darstellung und Obertragung von markierten Referenzstrukturen in der RBntgen-, cr­und MRT-Bddgebung. Strahlenther OnkoI1995;171:698-702

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tionsaufnahmen eingezeichnete Tumorvolumen ermoglicht das exakte Einzeichnen von AbschirmblOcken und damit eine Reduzierung des Bestrahlungsvolumens.

Die vorgestellte Methode weist den V orzug auf, dass sie zur Ubertragung auf keine weiteren elektrooptischen Vorrich­tungen [4, 7, 9, 10] oder elektronischen Bildverarbeitungs­programme [11], die das Verzerrungsrisiko erhOhen, zurtick­greift, Die Differenzen, die sich aufgrund der verschiedenen Aufnahmeprojektionen zwischen MRT (Parallelprojektion) und Simulation (Zentralstrahlprojektion) bei exzentrisch ge­legenen Hirntumoren ergeben, liegen im Bereich weniger Millimeter und sind unseres Erachtens filr die Belange der Strahlentherapie vernachlassigbar.

8. Just M, Rosier HP, Higer HP. et aJ. MRI-assisted radiation therapy plan­ning of brain tumors - clinical experiences in 17 patients. Magn Reson Imaging 1991;9:173-7.

9. KOster A, Kimmig B. Muller-SchrimpfJe M, et al. MR-Tomographie und MR-Angiographie - eine neue Methode zur Bestrahlungsplanung abdo­mineller GroBfelder. Strahlenther OnkoI1992;168:23<Hi.

10. Potter R. Heil B. Schneider 1., et aJ. Sagittal and coronal planes from MRI for treatment planning in tumors of brain, head and neck: MRI assisted simulation. Radiother OncoI1992;23:127-30.

11. Schultze J, Siebert F. Kimmig B. K1inische Applikationen der Magnetre­sonanztomographie in der Strahlentherapieplanung. Radiologe 1997;37: lt8.abstract.

Korrespondenzanschrift: Prof. Dr. Wolfgang Wagner, Paracelsus-Strahlenklinik, LiirmannstrafJe 38140, D-49076 Osnabrilck,

. Telefon (+49/541) 9664800, Fax 681137.

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