Radiografie gestützte elastische Bildregistrierung in der adaptiven Protonentherapie

• Antragsteller: Dr.-Ing. Prasannakumar Palaniappan; Professor Dr.-Ing. Marco Riboldi
• Fachliche Zuordnung: Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 455550444

Ziel dieses Projektes ist es, anatomische Veränderungen, die im Laufe einer Bestrahlungsbehandlung entstehen können, mithilfe von in-room Protonenradiografie (direkt vor Ort) kombiniert mit einem neuartigen elastischen Bildregistrierungsalgorithmus (engl: deformable image registration (DIR)), zu berücksichtigen. In der Strahlentherapie tragen frühzeitige Erkennung sowie präzise Dosisvergabe wesentlich zur Maximierung der Erfolgsquote und Minimierung der Nebenwirkungen bei. In der adaptiven Strahlenbehandlung wird der Bestrahlungsplan, basierend auf tomographischen in-room Bildgebungsverfahren, wie der Kegelstrahl-Computertomografie (engl.: cone-beam computed tomography (CBCT)), aktualisiert. Allerdings wird CBCT durch niedrige Bildqualität aufgrund von Streuung und Rauschen in der Projektionsebene eingeschränkt. Alternativ sind Protonentherapie-Einrichtungen auch in der Lage, protonenbasierte Bildgebungsverfahren durchzuführen. Jedoch können klinische und bauliche Auflagen tomografische 3D in-room Bildgebung verhindern. Basierend auf 2D in-room Protonradiografien (pRads) wird ein DIR-Algorithmus entwickelt, um das Planungs-CT des Patienten zu aktualisieren, wodurch eine niedrigere Bildgebungsdosis im Vergleich zum standardisierten CBCT ermöglicht wird. Eine speziell angepasste 2D-3D DIR gleicht anatomische Abweichungen aus. Der Algorithmus zielt auf klinische Anwendbarkeit ab, speziell bezüglich Flexibilität, Automatisierung, hohe Genauigkeit und Schnelligkeit durch GPU-Implementierung. Um die Umsetzbarkeit des DIR-Algorithmus zu untersuchen, werden speziell angefertigte Simulationsstudien für sowohl starre als auch elastische Szenarien entwickelt, welche auf künstlichen Phantomen und klinischen Bildern unterschiedlicher Komplexität beruhen. Monte Carlo (MC) Simulationen von idealen Detektoren, sowie ein realitätsnaher MC Emulator eines Proton-CT Prototypen werden für die Validierung eingesetzt. Zusätzlich wird ein elastisches PMMA Phantom, welches die Kopf- und Halsregion modelliert, und ein 3D gedrucktes bewegliches Phantom für experimentelle Messungen entwickelt. Für realistische anatomische Abweichungen werden klinische CBCT-Bilder, die im Laufe von fraktionierten Bestrahlungsbehandlungen aufgenommen werden, und FLUKA MC-Simulationen für list-mode und integration-mode Detektoren mit Pencil-beam scanning herangezogen. Die Genauigkeit der 2D-3D DIR wird durch Konturen und patientenspezifische Messgrößen evaluiert. Eine Vergleichsstudie der 2D-3D DIR unter Verwendung von pRads oder Röntgenprojektionen des CBCT soll aktuelle Forschungsperspektiven für die Niedrigdosisbildgebung in der adaptiven Strahlentherapie mit Protonen aufzeigen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen