Ultraschnelle kV-MV Cone beam CT Bildgebung zur Präzisionsbestrahlung von Lungentumoren unter Atemanhalt
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Projekt beschäftigt sich mit kombinierter simultaner Bildgebung aus Megavolt (MV) und Kilovolt (kV) Röntgenstrahlung, die weltweit erstmalig die Basis für eine beschleunigte Volumenbildgebung zur bildgestützten Strahlentherapie (IGRT) und Patienten-/ Zielvolumenpositionierung an Linearbeschleunigern mit Cone-beam CT (CBCT) in Atemanhalt bildet. Das am Bestrahlungsgerät/ Linearbeschleuniger (Linac) befestigte CBCT arbeitet mit einer zusätzlichen diagnostischen (kV) Röntgenquelle und ist orthogonal zum Therapiestrahl (MV) orientiert. Das Standard kV-CBCT ermöglicht gegenwärtig die Erstellung von 3D Datensätzen (Volumenbildgebung) in Bestrahlungsposition zur genauen Patientenpositionierung. Die aktuell kommerziell erhältlichen CBCT Systeme akquirieren 3D Datensätze in 1-2 Minuten. Bei der Bildgebung im Thoraxbereich verwischen jedoch während dieser Zeit die anatomischen Strukturen. Atembewegungen resultieren in Artefakten, die eine genaue Lagebestimmung der Ziel- und Risikostrukturen erschweren. Computerunterstützte Atemanhaltetechniken haben das Potential, Bewegungsartefakte bei atembeweglichen Strukturen (z.B. Lungen- und Lebertumoren) zu eliminieren. Atemanhaltetechnik erfordert jedoch Bildgebungszeiten von <15-20 Sekunden um Verwischungen aufgrund von Atembewegungen zu vermeiden. Derzeit kann man zwar die CBCT Projektionen in ausschließlich Atemanhalt aufnehmen („stop-an-go CBCT“), jedoch verlängert dieser Modus die Aufnahmezeit auf etwa 4 Minuten. Zur Lösung des Problems führt die Realisierung der ultraschnellen kV-MV CBCT Bildgebung, die die Bildakquisition innerhalb eines Atemanhalts (maximal 15-20 Sekunden) ermöglicht. Die primäre wissenschaftliche Fragestellung ist, wie präzise und robust die Patientenpositionierung basierend auf dem neuen, schnelleren kV-MV CBCT im Vergleich zur herkömmlichen klinisch-etablierten Patientenpositionierung basierend auf kV CBCT ist. Zudem soll auch die zu erwartende Dosisexposition des Patienten durch das neue Verfahren evaluiert werden. Das neue Verfahren kann grundlegend die Applikation der bildgestützten Strahlentherapie bei atembeweglichen Zielen verbessern. Innerhalb der Förderperiode (und etwas darüber hinaus) wurde eine schnelle, kombinierte kV- MV CBCT Bildgebungsmethode entwickelt, die Aufnahmen zur Patientenpositionierung innerhalb eines Atemanhaltes (~15s) ermöglicht. Das Verfahren wurde im Sinne eines End-to- End Testes bereits vollständig im nichtklinischen Forschungsmodus an einem Synergy Bestrahlungsgerät der Firma Elekta an Phantomen getestet und evaluiert. Untersucht wurden insbesondere auch die Dosisexposition und die Positionierungsgenauigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren (kV CBCT). Zur Vorbereitung auf eine klinische Verwendung, bei der die Applikationszeit und die möglichst einfache Verwendbarkeit eine große Rolle spielen, wurde das Verfahren weitestgehend automatisiert. Die letzen Schritte zur klinischen Verwendung wären eine maximale Integration des neuen Verfahrens in die existierende Architektur des klinischen Bestrahlungssystems, eine vollständige Dokumentation und Risikoanalyse im Sinne des MPG als Medizinprodukt aus Eigenentwicklung und eine möglichst umfassende finale Abnahmeprüfung. Ebenso wäre es wünschenswert, die neue Technik auf die neuen Bestrahlungsgeräte mit schnelleren Patientenbestrahlungen durch flächungsfilterfreie Strahlapplikationstechniken (FFF) zu übertragen. Danach wäre das System für klinische Studien an beiden Gerätegenerationen einsatzbereit. Zur Finanzierung der letzten Schritte zur klinischen Einführung bzw. der klinischen Studie ist ein DFG-Folgeantrag bereits in Vorbereitung.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Dose Exposure And Geometric Accuracy Of Ultrafast Kilovoltage-Megavoltage (kV-MV) Cone- Beam CT For Image Guided Radiotherapy Of Lung Cancer. International Journal of Radiation Oncology, Biology, Physics, 84(3, Supplement):744, 2012. ASTRO 2012
A. Arns, M. Blessing, D. Stsepankou, F. Lohr, F. Wenz, and H. Wertz
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Untersuchung der Strahlenbelastung durch kombinierte kV-MV CBCT-Bildgebung für die klinische Einführung in die bildgestützte Strahlentherapie. DGMP 2013
A. Arns, M. Blessing, D. Stsepankou, F. Lohr, F. Wenz, H. Wertz
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Workflow automation for ultrafast Kilovoltage-Megavoltage Cone-Beam CT for Image Guided Radiotherapy. ESTRO Forum, Geneva, 2013
M. Blessing, A. Arns, D. Stsepankou, H. Wertz, F. Lohr, J. Hesser, F. Wenz
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Image Guided Radiotherapy using ultrafast kV-MV CBCT: End-to-end test results of the finalized implementation. ASTRO 2014
M. Blessing, A. Arns, H. Wertz, D. Stsepankou, J. Boda-Heggemann, F. Lohr, J. Hesser, and F. Wenz
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Matching Accuracy of Ultrafast Kilovoltage-Megavoltage (kV-MV) Cone-Beam CT for Image Guided Radiotherapy. ASTRO 2014
A. Arns, M. Blessing, D. Stsepankou, J. Boda-Heggemann, J. Hesser, F. Wenz, F. Lohr, and H. Wertz
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Deep inspiration breath hold breath hold-based raditation therapy: a clinical review. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 2016 Mar 1;94(3):478-92
Boda-Heggemann J, Knopf AC, Simeonova-Chergou A, Wertz H, Stieler F, Jahnke A, Jahnke L, Fleckenstein J, Vogel L, Arns A, Blessing M, Wenz F, Lohr F
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Towards clinical implementation of ultrafast combined kV-MV CBCT for IGRT of lung cancer: Evaluation of registration accuracy based on phantom study. Strahlenther Onkol. 2016 May;192(5):312-321
Arns A, Blessing M, Fleckenstein J, Stsepankou D, Boda-Heggemann J, Simeonova-Chergou A, Hesser J, Lohr F, Wenz F, Wertz H
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Automated ultrafast kilovoltage–megavoltage cone-beam CT for image guided radiotherapy of lung cancer: System description and real-time results = Automatisierte ultraschnelle Kilovolt-Megavolt Kegelstrahl-CT für die bildgeführte Strahlentherapie von Lungenkrebs: Systembeschreibung und Realtime Resultate. Zeitschrift für Medizinische Physik, Volume 28, Issue 2, April 2018, Pages 110-120
Blessing M, Arns A, Wertz H, Stsepankou D, Boda-Heggemann J, Hesser J, Wenz F, Lohr F
