Bildgestützte, adaptive Bestrahlungsplanung intensitätsmodulierter Strahlentherapie

Abstract

Es wird ein Optimierungskonzept vorgestellt, das - durch die Einbeziehung der zeitlichen geometrischen Variationen der Patientenanatomie in die Bestrahlungsplanung - eine weit grössere Anzahl an Freiheitsgraden ausnutzt, um bei der Bestrahlung mit intensitätsmodulierten Strahlenfeldern (IMRT) die gleichzeitige Schonung von Normalgewebe und die Maximierung der Tumordosis zu erreichen. Die probabilistische Beschreibung der Patientengeometrien durch lokale Deformationswahrscheinlichkeiten ermöglicht die Optimierung des zeitlichen Erwartungswertes der Dosisverteilung bezüglich der biologischen und medizinisch evidenten Wirkung im Patienten. Durch die multiple Anwendung heute gängiger Bildgebungsverfahren (Feldkontrollaufnahmen, CT, MRI) wird die individuelle Beschreibung von Lagerungsfehlern und innerer Organbewegung möglich. Mit Hilfe biomechanischer Modelle können sogar die individuellen Verlagerungen einzelner Volumenelemente der Gewebematrix näherungsweise bestimmt, und damit Aussagen über die Statistik der lokalen geometrischen Variationen gewonnen werden. Die so erhaltene individuelle, geometrische Information kann auf einfache Weise für die Abschätzung des wahrscheinlichen Behandlungsergebnisses und damit für die probabilistische Optimierung intensitätsmodulierter Bestrahlungspläne genutzt werden. Es werden verschiedene, adaptive Strategien zur off-line Rückkopplung von Bildinformation in die IMRT-Bestrahlungsplanung an mehreren Patienten mit Prostatakarzinom studiert. Wie sich zeigt, lassen sich wesentliche Charakteristika der individuellen geometrischen Variationen bereits aus wenigen Bildgebungen im frühen Behandlungsverlauf robust abschätzen und effektiv in der adaptiven Planung berücksichtigen.

An optimization concept for intensity modulated radiotherapy (IMRT) is presented which makes use of a patient's temporal geometrical variations in order to achieve simultaneous normal tissue sparing and maximum tumour control. The probabilistic description of the patient anatomy by means of a local deformation probability density allows to optimize the temporal expectation value of a dose distribution with respect to the biological effect to the irradiated tissue. Multiple imaging (portal images, CT, MRI) is used for the individual quantification of setup errors and internal organ motion. By means of a biomechanical model the temporal displacements of small volume elements of the tissue matrix can be approximated and are used to quantify the local geometrical variations in a patient. Thus, the image infomation is used for a simple estimation of the most probable treatment outcome and for the probabilistic optimization of intensity modulated radiation beams. Several adaptive strategies for off-line image feedback into IMRT planning are investigated on few patients with prostate cancer. It is shown that it is possible to make a robust estimate of a patient's individual geometrical variations in the early course of a radiation treatment from only a small number of extra images.