Regelung der MR-gestützten regionalen Hyperthermie im Abdomen

• Applicant: Professor Dr. Peter Wust (†)
• Subject Area: Nuclear Medicine, Radiotherapy, Radiobiology
• Term: from 2008 to 2012
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 87057760

• Final Report Year: 2013

Final Report Abstract

Ziel des Projekts war die Entwicklung eines Verfahrens, welches eine sukzessive Optimierung der Behandlungsparameter für eine Teilkörperhyperthermiebehandlung im abdominellen Bereich während der Therapie durch Auswertung von 3D-Thermometrie- Kontrollmessungen ermöglichen soll. 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. Da im abdominellen Bereichen die Online-Thermometie durch Auswertung der Phasenverschiebungsinformationen nur punktuell im Interessengebiet möglich ist, musste vorab eine möglichst verlässliche und genaue Regelung der Hybrid-Hyperthermie auf Basis der Bereiche, in denen der Temperaturanstieg während einer Therapie gemessen werden kann, entwickelt werden. Es 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 zeigen, welches Potential in einer zuverlässigen Regelung der Hybridhyperthermie liegt.

Publications

• „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.“ In: Int J Hyperthermia 25.7 (Nov. 2009), S. 529–532
  P. Wust und M. Weihrauch
  
• „Optimization and Identification in Regional Hyperthermia“. In: Int. J. Appl. 30 (2009), S. 265–275
  M. Weiser
  
• „Pointwise nonlinear scaling for reaction-diffusion equations“. In: Applied Numerical Mathematics 59.8 (2009), S. 1858–1869
  M. Weiser
  
• „Barrier Methods for a Control Problem from Hyperthermia Treatment Planning“. In: Recent Advances in Optimization and its Applications in Engineering. Hrsg. von M. Diehl, F. Glineur, E. Jarlebring und W. Michiels. Springer Berlin Heidelberg, 2010, S. 419–428
  A. Schiela und M. Weiser
  
• „Non-invasive magnetic resonance thermography during regional hyperthermia.“ In: Int J Hyperthermia 26.3 (2010), S. 273–282
  L. Lüdemann, W. Wlodarczyk, J. Nadobny, M. Weihrauch, J. Gellermann und P. Wust
  
• „Regularized antenna profile adaptation in online hyperthermia treatment“. In: Medical Physics 37.10 (Okt. 2010), S. 5382–5394
  M. Ranneberg, M. Weiser, M. Weihrauch, V. Budach, J. Gellermann und P. Wust
  
• „Hyperthermie“. In: Komplementäre und alternative Krebstherapien. Hrsg. von K. Münstedt. ecomed Medizin, 2011, S. 702–717
  P. Wust
  
• „Mathematical cancer therapy planning in deep regional hyperthermia“. In: Acta Numerica 21 (2012), S. 307–378
  P. Deuflhard, A. Schiela und M. Weiser