Regelschleife für die Magnetresonanz-kontrollierte Teilkörper-Hyperthermie - Klinische Evaluierung, Modelle, softwareseitige Implementierung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Projekts war die Entwicklung eines Verfahrens, welches eine sukzessive Optimierung der Behandlungsparameter für eine Teilkörperhyperthermiebehandlung während der Therapie durch Auswertung von 3D-Thermometriekontrollmessungen ermöglichen soll. Eine solche Regelschleife gliedert sich in zwei Schritte pro Regelschritt: 1) Die die elektromagnetischen Felder beschreibenden Antennenprofile als Ergebnis einer vorab durchgeführte Planungsrechnung werden auf Basis der gemessenen Temperaturverteilung im Patienten angepasst. 2) Mit den adaptierten Antennenprofilen können dann verbesserte ßehandlungsparameter im Hinblick auf die therapeutisch gewünschte Wärmeverteilung berechnet werden. Für die Entwicklung stand ein kommerzielles Hyperthermie-MR-Hybridsystem (BSD 2000 3D MRI mit 1,5 Tesla MRT) zur Verfügung welches ein Temperaturmonitoring im Behandlungsgebiet auf Basis von MRT-Messungen (Doppelecho Proton Resonance Frequency Shift Methode mit Drift Korrektur) ermöglicht. Im ersten Schritt wurde die Perfusion und Diffusion der Temperatur vernachlässigt, da sich dadurch die Lösung des nichtlinearen Ausgleichsproblems vereinfachte und (wichtig in der ersten Entwicklungsphase) weniger zeitaufwendig war. Das aufgrund dieser Vereinfachung auf einen Leistungsdichtevergleich (SAR) basierende Adaptionsverfahren der Antennenprofile wurde in 17 Messreihen an verschiedenen Phantomen (homogen und heterogen) erfolgreich angewandt. Wie in Medical Physics publiziert, konnte im homogenen Phantom die Abweichung zwischen Planung und Messung um 30% und im heterogenen Phantom sogar um 50% reduziert werden. Im Anschluss wurde in ca. 30 Therapiesitzungen (Patientenstudie) auf diese Weise die Hyperthermie geregelt. In der Hälfte der Therapien konnten deutliche Verbesserungen des Leistungseintrags und des Therapieergebnisses erreicht werden. In schwach perfundierten Bereichen (Tumorregion) war das SAR-basierte Adaptationsverfahren trotz aller Limitierungen anwendbar. Im zweiten Schritt wurde ein Adaptationsverfahren für die Antennenprofile unter Berücksichtigung der Perfusion und Diffusion entwickelt. Trotz sorgfältiger Implementierung und intensiver Fehlersuche lieferten zunächst die adaptierten Antennenprofile teilweise keine besseren Vorhersagen als beim SAR-basierten Adaptationsverfahren. Erst aufwendige Simulationen der Hyperthermie-Therapie am Rechner brachten schließlich den Durchbruch durch eine Tikhonov Regularisierung des Gauß-Newton-Verfahrens zur Lösung des nichtlinearen Ausgleichproblems. Der Regularisierungsparameter bestimmt wie weit die Lösung des nichtlinearen Ausgleichproblems (die adaptierten Antennenprofile) von den Start-Profilen (Planung) abweichen darf. Prinzipiell ist die Lösung beim Gauß-Newton-Verfahren immer vom Startwert abhängig. Deshalb haben wir auch in dem SAR-basierten Verfahren die bestmögliche Planung (bezüglich Positionierung, Segmentierung, etc.) zugrunde gelegt. Das allein reicht jedoch nicht. Erst mit der Regularisierung konvergieren die adaptierten gegen die exakten Antennenprofile. Die Publikation der Ergebnisse der Simulationen und die Demonstration des neuen Adaptationsverfahrens am Patienten zeigt welches Potential in einer Regelung der Hybridhyperthermie liegt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Comparison of MR-thermography and planning calculations in phantoms. Med. Phys., 33(10):3912—3920, Oct 2006
Gellermann J., M. Weihrauch, C. H. Cho, W. Wlodarczyk, H. Fähling, R. Felix, V. Budach, M. Weiser, J. Nadobny, and P. Wust
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Adaptation of antenna profiles for control of MR guided hyperthermia (HT) in a hybrid MR-HT system. Med. Phys., 34(12):4717-4725, Dec 2007
Weihrauch M., P. Wust, M. Weiser, J. Nadobny, S. Eisenhardt, V. Budach, and J. Gellermann
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Advances in the Planning and Control of the MR-guided Regional Hyperthermia Applications. In: Proc. International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications ICEAA 2007, pages 1010-1013, 2007
Nadobny J., M. Weihrauch, M. Weiser, J. Gellermann, W. Wlodarczyk, V. Budach, and P. Wust
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Simulation of different applicator positions for treatment of a presacral tumour. Int J Hyperthermia, 23(l):37-47, Feb 2007
Gellermann J., J. Göke, R. Figiel, M. Weihrauch, C. H. Cho, V. Budach, R. Felix, and P. Wust
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Hyperthermiebehandlungsplanung und Hybridhyperthermie. Habilitation, Medizinische Fakultät Charite - Universitätsmedizin Berlin, 2008
Gellermann J.
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Hyperthermia classic commentary: 'Simulation studies promote technological development of radiofrequency phased array hyperthermia' by Peter Wust et al., International Journal of Hyperthermia 1996;12:477-494- Int J Hyperthermia, 25(7):529-532, Nov 2009
Wust P. and M. Weihrauch
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Regelschleife für die Magnetresonanz-kontrollierte Teilkörper-Hyperthermie. Dissertation, Medizinische Fakultät Charite - Universitätsmedizin Berlin, June 2009
Weihrauch, M.
