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4D Kegelstrahl Computertomographie als neue Methode zur genauen, zeitlich aufgelösten Dosisberechnung für die Partikeltherapie

Fachliche Zuordnung Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
Förderung Förderung von 2018 bis 2023
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 399148265
 
Erstellungsjahr 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Cone-Beam-Computertomographen (CBCT) werden zunehmend in modernen Protonentherapieanlagen installiert. Sie ermöglichen die Erfassung eines dreidimensionalen Volumens in einer einzigen Rotation und werden derzeit in der bildgeführten Photonen- und Protonentherapie eingesetzt, um Fehler bei der Patientenpositionierung zu korrigieren. Mehrere Forschungsgruppen, darunter wir, haben Methoden entwickelt, Protonendosisverteilungen auf intensitätskorrigierten CBCT-Bildern zu berechnen. Diese Aufgabe ist durch die geringe Bildqualität von CBCTs im Vergleich zu diagnostischen CTs nicht trivial. CBCT-basierte Dosisberechnungen können verwendet werden, um Fehler in der applizierten Dosis zu erkennen, die durch interfraktionelle Veränderungen verursacht werden. Dies ermöglicht die Umsetzung einer adaptiven Strahlentherapie (ART), bei der während des Behandlungsverlaufs der Bestrahlungsplan angepasst wird. Die Protonentherapie stellt sich zusätzlichen Herausforderungen durch Tumore mit intrafraktioneller Atembewegung im Thoraxbereich. Für die Bestrahlungsplanung wird ein vierdimensionaler CT-Scan (4DCT) verwendet, der einen durchschnittlichen Atemzyklus des Patienten erfasst. Die Genauigkeit des sich daraus ergebenden Behandlungsplans für bewegliche Ziele kann durch Änderungen der Atembewegung beeinträchtigt werden. Die hohe Empfindlichkeit von Protonen gegenüber solchen Veränderungen legt nahe, dass eine 4D-Bildgebung in Behandlungsposition wünschenswert wäre, da sie eine ART für bewegliche Ziele ermöglicht. Mit ihrer langsamen Rotationsgeschwindigkeit ermöglichen CBCT- Scanner eine 4D-Bildrekonstruktion, indem sie die Bewegung des Zwerchfells des Patienten verfolgen. Ohne Intensitätskorrektur ist die Bildqualität jedoch aufgrund von Unterabtastung und Streuungsartefakten für die Berechnung der Protonendosis nicht ausreichend. In unserem Projekt haben wir drei Methoden zur 4DCBCT Intensitätskorrektur entwickelt. Die erste nutzte deformierbare Bildregistrierung (DIR), um ein so genanntes 4DvCT (4DCT zu 4DCBCT DIR) zu erzeugen. Anschließend wurde das 4DvCT in einer Pipeline zur Schätzung von Streustrahlung verwendet, die eine Projektionskorrektur mit anschließender Rekonstruktion ermöglichte, so dass ein streuungskorrigiertes 4DCBCT (4DCBCTcor) entstand. Um das Verfahren zu beschleunigen, nutzten wir schließlich künstliche Intelligenz (KI), indem wir unser ScatterNet- Modell für 4DCBCTcor trainierten. Die CBCT-Korrekturmethoden wurden an einem Schweinelungenphantom, das die Bestimmung einer Referenz durch 4DCT-Scans ermöglichte, sowie an einer retrospektiven Lungenkrebspatientenkohorte validiert. Die Validierung stützte sich auf die Genauigkeit der Protonendosisberechnung und erwies sich als wertvoll für die Entscheidungsfindung bei der Lungenprotonentherapie mit ART. Durch den Einsatz von KI konnte der Rechenaufwand für die 4DCBCTcor Streuungskorrektur auf klinisch akzeptable Zeiten von wenigen Sekunden reduziert werden.

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