gms | German Medical Science

Einleitung und Fragestellung: Das Ziel der adaptiven Strahlentherapie ist es, möglichst hohe Dosis an Tumoren zu applizieren und dabei umliegendes gesundes Normalgewebe zu schonen. Die Präzision der Bestrahlung ist von der Positionierung und von anatomischen Veränderungen des Patienten im Verlauf der Therapie abhängig. Sind solche Veränderungen zwischen Planung und Bestrahlung bekannt, können Tumore gezielter bestrahlt und Fehldosierungen vermieden werden. Aus diesem Grund wird versucht anhand von Kontrollaufnahmen, vor jeder einzelnen Fraktion, den Behandlungsplan zu adaptieren, wenn eine Tischkorrektur nicht ausreicht.

Die Adaption benötigt die Beschreibung der Verformungen, die wiederum mithilfe von Registrierungsverfahren unter Zuhilfenahme eines Transformationsmodells und den Bildinformationen ermittelt wird. Das Planungsbild wird so transformiert, dass es möglichst optimal mit dem Kontrollbild übereinstimmt. Die elastische Registrierung, die morphologische Verformungen abbilden kann, ist hierfür am besten geeignet. Die häufigsten Vertreter der elastischen Transformationsmodelle sind die biomechanischen Modelle und die mathematischen Modelle. Die biomechanischen Modelle nutzen a-priori Wissen über die physikalischen Materialeigenschaften aus. Das Verhalten der Deformation wird dabei mittels der Elastizitätstheorie mathematisch mit Hilfe der Finiten Elemente Methode (FEM) abgebildet. Diese Modelle liefern der Realität entsprechend relativ genaue Ergebnisse, sind aber durch ihre komplexe Modellierung rechenintensiv und benötigen eine aufwändige Segmentierung aller zu modellierenden Organe. Die mathematischen Modelle, wie zum Beispiel die Thin-Plate Splines (TPS), basieren auf einfachen mathematische Annahmen. Diese sind schnell zu berechnen, haben aber den Nachteil, dass sie keine Materialeigenschaften in Betracht ziehen und zu realitätsfernen Ergebnissen führen können. Der Enhanced Chainmail (ECM), der auf den 1997 von S.Gibson veröffentlichten 3D Chainmail aufbaut, basiert auf einem einfachen physikalischen Modell, der die Deformationen unter Zuhilfenahme der Bildinformationen imitiert [1]. Dieses Modell ist rechenaufwändiger als die mathematischen Modelle, jedoch in der Regel performanter als die biomechanischen Modelle. Auf Grund der Modelleigenschaft, können realistische Deformationen wesentlich leichter als mit den mathematischen Modellen abgebildet werden. In dieser Studie wurde das Verhalten der ECM im vergleich zu der TPS mit Hilfe eines künstlichen Phantomdatensatzes untersucht, um seine Eignung zum Einsatz in der Strahlentherapie zu untersuchen.

Material und Methoden: Der ECM für 3D-Volumendaten wurde zunächst in das Strahlentherapie Planungssystem VIRTUOS des Deutschen Krebsforschungszentrums, das die TPS-Transformation schon unterstützt, integriert. Ein virtueller Phantomdatensatz mit 3 verschiedenen Materialgruppen (Luft, Knochen und Weichengewebe) wurde erzeugt um die elastischen Deformationseigenschaften der Transformationsmodelle zu untersuchen. Das Phantom enthält einen Zylinder der vier Wirbel in der Mitte enthält, die einen künstlichen Ausschnitt einer Wirbelsäule repräsentieren. Der Zylinder besitzt die Materialeigenschaft eines Weichgewebes (x% Elastizität). Der CT Datensatz hatte eine Auflösung von 0.98 mm x 0.98 mm und eine Schichtdicke von 3 mm. Das Ziel war es eine leichte Wirbelsäulenkrümmung, entlang der Sagittalebene, zu simulieren. Beide Transformationsmodelle benötigen für ihre Transformation user-definierte Landmarkenkorrespondenzen. Die TPS benötigt die Landmarken als Stützstellen und interpoliert alle dazwischen liegenden Positionen durch das zugrunde liegende Biegeenergie-Modell einer dünnen Platte. Der ECM benötigt Landmarken als einwirkende Starttransformation, die im darum herum liegenden Volumen propagiert werden. Die Menge der Landmarken wurden so gewählt, dass eine Wirbelsäulenkrümmung mit einer minimalen Anzahl an Landmarken entsteht. Beide Modelle wurden jeweils mit denselben Landmarken getestet.

Ergebnisse: Das ECM-Modell kann bereits mit einer einzigen Landmark eine realitätsnahe Krümmung der Wirbelsäule erreichen. Die Knochen wurden durch die Transformation nicht verformt. Die TPS andererseits brauchte acht Landmarken um eine akzeptable Wirbelsäulenkrümmung zu realisieren. Die Knochen wurden bei der Transformation leicht in Richtung der Sagittalebene verzerrt. Der Zylinder wies eine deutliche elliptische Verformung auf. Die Länge der Differenztransformationsvektoren zwischen den beiden Modellen, bei einer Transformation mit Hilfe von acht Landmarken, war im Mittel 7.0 mm (SD = 3.6, 4496568 Voxel). Der Mittelwert Länge der Differenzvektoren innerhalb der Kochen betrug 6.1 mm (SD = 3.3, 60246 Voxel). Die Laufzeit des ECM Algorithmus beträgt nicht parallelisiert ~4 min.

Diskussion: Der implementierte ECM Algorithmus eignet sich gut, um Deformationen in der Morphologie der Patienten realitätsnah zu modellieren. Verglichen mit der häufig eingesetzten TPS benötigt er nur wenige Landmarken, um eine Verformung materialabhängig durch das Patientenmodell zu propagieren. Da meist nur wenige eindeutige Korrespondenzen in morphologischen Bildern identifiziert werden können, ist eine gute Modellierung nur mit einer materialabhängigen Transformation sinnvoll. Im Gegensatz zu Finite Elemente Modellierung von Patientenverformung im Strahlentherapiekontext ist für den ECM Algorithmus keine aufwändige Segmentierung nötig, so dass zukünftig auch komplexe nicht segmentierte Grauwertverteilungen unterschiedlich stark deformiert werden können. Kann der ECM noch parallelisiert werden, bietet dieses Modell eine vielversprechende Alternative um adaptive Strahlentherapie Konzepte online zu ermöglichen.