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)
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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
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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)
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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
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Beispiel: VERSA HD (Elekta) – grundlegendes Design ähnlich zu TRILOGY (Varian)
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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)
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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
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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
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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
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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):
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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)
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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
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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):
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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.
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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.
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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
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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)
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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
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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):
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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.
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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.
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !