Extraktion vektorfeldbasierter Bewegungssignaturen aus 4D-(CB)CT-Bildsequenzen und Korrelation mit lokaler Kontrolle von Lungen- und Lebermetastasen nach SBRT
Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Atmungsbedingte Bewegungen stellen eine Herausforderung der Strahlentherapie thorakaler und abdomineller Tumoren dar. Um resultierende Unsicherheiten während der Bestrahlungsplanung und der Therapie zu berücksichtigen, ist eine akkurate bildgebende Erfassung der Bewegungen von Tumoren und zu schonenden Risikostrukturen erforderlich. Diesbezügliche Grundpfeiler sind 4D-Computertomografie (4D-CT) und 4D-Cone Beam-CT (4D-CBCT). Beide Bildgebungsverfahren führen allerdings zu Bildartefakten, die ihren Einsatz (u.a. Zielvolumendefinition, registrierungsbasierte Bewegungsfeldschätzung, Abschätzung der applizierten Dosis) erschweren. Das Projekt zielte auf eine Optimierung von 4D-CT- und 4D-CBCT-Bildgebung und -qualität, der bildbasierten Extraktion von Bewegungsinformationen sowie ein besseres Verständnis des Zusammenhangs von Bewegungsvariabilität, Bildqualität und dem wichtigsten klinischen Endpunkt ab: lokale Tumorkontrolle. Unter Nutzung von Deep Learning- Ansätzen wurden Methoden entwickelt, um bewegungsassoziierte Artefakte in 4D-CT- und 4D-CBCT-Bilddaten sowie Fehler registrierungsbasierter Bewegungsfeldschätzung zu minimieren. 4D-CT-Artefakte werden durch Bewegungsvariabilität während der Datenaufnahme verursacht. Um der Ursache direkt zu begegnen, wurde gemeinsam mit den Kooperationspartnern (u.a. Siemens Healthineers) ein neues 4D-CT-Bildgebungsprotokoll entwickelt (i4DCT). i4DCT passt die Datenaufnahme in Echtzeit an die Atmung des Patienten an und führt im Vergleich zu konventionellen 4D-CT-Protokollen zu einer deutlichen Artefaktreduktion. Dies erscheint aus klinischer Sicht um so relevanter, als dass im Projekt ein signifikanter Zusammenhang zwischen reduzierter lokaler Tumorkontrolle und dem Auftreten starker Artefakte in den 4D-CT-Bestrahlungsplanungsbilddaten beobachtet wurde. Es verbleibt allerdings abschließend zu klären, ob der Zusammenhang kausal ist oder andere Aspekte ursächlich sind (z.B. Unterschiede der Atemmuster während 4D-CT-Bildgebung und Bestrahlung).
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Intelligent 4D CT sequence scanning (i4DCT): Concept and performance evaluation. Medical Physics, 46(8), 3462-3474.
Werner, René; Sentker, Thilo; Madesta, Frederic; Gauer, Tobias & Hofmann, Christian
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Self-consistent deep learning-based boosting of 4D cone-beam computed tomography reconstruction. Medical Imaging 2019: Image Processing, 1. SPIE.
Madesta, Frederic; Gauer, Tobias; Sentker, Thilo & Werner, René
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4D CT image artifacts affect local control in SBRT of lung and liver metastases. Radiotherapy and Oncology, 148, 229-234.
Sentker, Thilo; Schmidt, Vladimir; Ozga, Ann-Kathrin; Petersen, Cordula; Madesta, Frederic; Hofmann, Christian; Werner, René & Gauer, Tobias
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Intelligent 4D CT sequence scanning (i4DCT): First scanner prototype implementation and phantom measurements of automated breathing signal‐guided 4D CT. Medical Physics, 47(6), 2408-2412.
Werner, René; Sentker, Thilo; Madesta, Frederic; Schwarz, Annette; Vornehm, Marc; Gauer, Tobias & Hofmann, Christian
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PO-1724: Intelligent 4D CT sequence scanning (i4DCT): First prototype measurements. Radiotherapy and Oncology, 152, S954-S955.
Werner, R.; Sentker, T.; Madesta, F.; Gauer, T. & Hofmann, C.
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Self‐contained deep learning‐based boosting of 4D cone‐beam CT reconstruction. Medical Physics, 47(11), 5619-5631.
Madesta, Frederic; Sentker, Thilo; Gauer, Tobias & Werner, René
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Comparison of intelligent 4D CT sequence scanning and conventional spiral 4D CT: a first comprehensive phantom study. Physics in Medicine & Biology, 66(1), 015004.
Werner, René; Szkitsak, Juliane; Sentker, Thilo; Madesta, Frederic; Schwarz, Annette; Fernolendt, Susanne; Vornehm, Marc; Gauer, Tobias; Bert, Christoph & Hofmann, Christian
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First clinical evaluation of breathing controlled four-dimensional computed tomography imaging. Physics and Imaging in Radiation Oncology, 20, 56-61.
Szkitsak, Juliane; Werner, René; Fernolendt, Susanne; Schwarz, Annette; Ott, Oliver J.; Fietkau, Rainer; Hofmann, Christian & Bert, Christoph
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OC-0560 Impact of 4D-CT imaging protocol on local control in SBRT of lung and liver metastases. Radiotherapy and Oncology, 161, S446.
Gauer, T.; Sentker, T.; Schmidt, V.; Wimmert, L.; Ozga, A.; Petersen, C.; Madesta, F.; Hofmann, C. & Werner, R.
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PH-0655 Filling in the allegedly unknown: Detection and inpainting of interpolation artifacts in 4DCT images. Radiotherapy and Oncology, 161, S525–S526.
Madesta, F., Sentker, T., Gauer, T. & Werner, R.
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OC-0943 Deep learning-based internal target volume adaption in SBRT. Radiotherapy and Oncology, 170, S835-S836.
Wimmert, L.; Sentker, T.; Dassow, T.; Madesta, F.; Werner, R. & Gauer, T.
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Clinical application of breathing-adapted 4D CT: image quality comparison to conventional 4D CT. Strahlentherapie und Onkologie, 199(7), 686-691.
Werner, René; Szkitsak, Juliane; Madesta, Frederic; Büttgen, Laura; Wimmert, Lukas; Sentker, Thilo; Fietkau, Rainer; Haderlein, Marlen; Bert, Christoph; Gauer, Tobias & Hofmann, Christian
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Deep learning‐based conditional inpainting for restoration of artifact‐affected 4D CT images. Medical Physics, 51(5), 3437-3454.
Madesta, Frederic; Sentker, Thilo; Gauer, Tobias & Werner, René
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Dose reduction in sequence scanning 4D CT imaging through respiratory signal‐guided tube current modulation: A feasibility study. Medical Physics, 50(12), 7539-7547.
Schwarz, Annette; Werner, René; Wimmert, Lukas; Vornehm, Marc; Gauer, Tobias & Hofmann, Christian
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PD-0666 Dose reduction for respiratory signal-guided step-and-shoot 4DCT by online dose modulation. Radiotherapy and Oncology, 182, S558–S559.
Werner, R., Schwarz, A., Wimmert, L., Buttgen, L., Vornehm, M., Gauer, T. & Hofmann, C.
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PO-1886 Respiratory motion prediction based on LSTM and linear regression models. Radiotherapy and Oncology, 182, S1629-S1630.
Wimmert, L.; Nielsen, M.; Gauer, T.; Hofmann, C. & Werner, R.
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PO-1917 Stability assessment of patient-specific 4DCT and 4DCBCT correspondence models. Radiotherapy and Oncology, 182, S1668–S1669.
Büttgen, L.; Wimmert, L.; Madesta, F.; Werner, R. & Gauer, T.
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1371: Impact of breathing signal-guided dose modulation on 4DCT image reconstruction. Radiotherapy and Oncology, 194, S3833-S3835.
Wimmert, Lukas; Schwarz, Annette; Gauer, Tobias; Hofmann, Chrisitan; Dickmann, Jannis & Werner, Rene
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668: Daily 4DCBT-based dose accumulation in adaptive 4D lung SBRT. Radiotherapy and Oncology, 194, S3988-S3990.
Büttgen, Laura; Sentker, Thilo; Werner, Rene & Gauer, Tobias
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Benchmarking machine learning‐based real‐time respiratory signal predictors in 4D SBRT. Medical Physics, 51(5), 3173-3183.
Wimmert, Lukas; Nielsen, Maximilian; Madesta, Frederic; Gauer, Tobias; Hofmann, Christian & Werner, Rene
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Impact of breathing signal‐guided dose modulation on step‐and‐shoot 4D CT image reconstruction. Medical Physics, 51(10), 7119-7126.
Wimmert, Lukas; Schwarz, Annette; Gauer, Tobias; Hofmann, Christian; Dickmann, Jannis; Sentker, Thilo & Werner, Rene
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Monte Carlo-based simulation of virtual 3 and 4-dimensional cone-beam computed tomography from computed tomography images: An end-to-end framework and a deep learning-based speedup strategy. Physics and Imaging in Radiation Oncology, 32, 100644.
Madesta, Frederic; Sentker, Thilo; Rohling, Clemens; Gauer, Tobias; Schmitz, Rüdiger & Werner, René
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Oriented histogram-based vector field embedding for characterizing 4D CT data sets in radiotherapy
Madesta F., Wimmert L., Gauer T., Werner R. & Sentker T.
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Stability analysis of patient‐specific 4DCT‐ and 4DCBCT‐based correspondence models. Medical Physics, 51(9), 5890-5900.
Büttgen, Laura Esther; Werner, René & Gauer, Tobias
