matrad ein open-source Planungssystem für strahlentherapeutische Krebsbehandlungen

Transkript

1 6/15/2018 matrad ein open-source Planungssystem für strahlentherapeutische Krebsbehandlungen Hans-Peter Wieser und Dr. Mark Bangert Abteilung Medizinische Physik in der Strahlentherapie, Radiotherapie Optimierung DKFZ Deutsches Krebsforschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

2 Krebs Page2 ist die unkontrollierte Vermehrung und das wuchernde Wachstum von Zellen Krebs kann sich auf andere Körperteile ausweiten Krebs Häufigkeit 14 Millionen Neuerkrankungen im Jahr 2012 [1] Krebszelle von Lungentumor während der Zellteilung 8 Millionen Tote Aufgrund von Krebs [1] In 20 Jahren, wird die Anzahl der Neuerkrankungen um 70% ansteigen [1] Neuerkrankungen im Jahr 2014 in Deutschland [2] Prognose 2018: Neuerkrankungen [2] [1] Stewart, B. W. K. P., and Christopher P. Wild. "World cancer report 2014." (2014). [2] Robert Koch Institut, Bericht zu Krebs in Deutschland für 2013/2014, Krebsregisterdaten Hans-Peter Wieser

3 Überlebenschancen Page3 50% aller Krebspatienten überleben mehr als 10 Jahre Hohe Variation in Überlebenschance 10 Jahres Prognose <1% Pankreaskrebs 10 Jahres Prognose ~84% Prostatakrebs Behandlungsmöglichkeiten Krebszellen werden entfernt Verabreichung von Medikamenten Ionisierende Strahlung Hans-Peter Wieser

4 Strahlentherapie - Radiotherapie Page4 > 50% alle Krebspatienten erhalten Radiotherapie [3] [3] Atun R. Jaffray et. al, Expanding global access to radiotherapy. Lancet Oncol., 2015 Radiotherapie Externe Radiotherapie Interne Radiotherapie Elektromagnetische Strahlen Teilchenstrahlung Brachytherapie Hans-Peter Wieser

5 Ablauf der Strahlentherpaie Page5 Immobilisierung Bildgebung - Computertomographie Lokalisierung des Tumors Bestrahlungsplanung Qualitätssicherung - Verifikation Patientenpositionierung Bestrahlung Adoptiert von W. Schlegel & A. Mahr: 3D Conformal Radiation Therapy Springer Multimedia DVD Hans-Peter Wieser

6 Bestrahlungsplanung Page6 Computer gestützter Prozess Dosis wird vor Applikation simuliert und optimiert Kommerzielle Software zur Bestrahlungsplanung sind geschlossene Systeme (Black Box) Forschung benötigt jedoch flexible zugängliche Software Medizinische Physik in der Strahlentherapie Kein Medizinprodukt! Nicht für Patientenbehandlung verwenden Hans-Peter Wieser

7 Page7 Toolkit für die dreidimensionale intensitätsmodulierte Bestrahlungsplanung mit Photonen, Protonen und Kohlenstoff matrad beinhaltet anerkannte Radiotherapiealgorithmen Bekannt in der medizinischen Physikgemeinschaft Eigenschaften: Open-Source Code, Patienten und Maschinendaten Wiki bestehend aus 29 Seiten Grafische Benutzeroberfläche (GUI) Import & Export Funktionen Standalone Version verfügbar Hans-Peter Wieser

8 Ablauf der Radiotherapie Page8 Immobilisierung Bildgebung - Computertomographie Diagnostische Lokalisierung Bildgebung des Tumors CT MRI Bestrahlungsplanung Dosis Optimierung Qualitätssicherung - Verifikation Patientenpositionierung Bestrahlung Hans-Peter Wieser

9 Ablauf der Radiotherapie Page9 Immobilisierung Bildgebung - Computertomographie Lokalisierung des Tumors Konturieren/Segmentieren der Strukturen Hans-Peter Wieser

10 Ablauf der Radiotherapie Page10 Immobilisierung Bildgebung - Computertomographie Lokalisierung des Tumors Bestrahlungsplanung Dosisberechnung & Optimierung Hans-Peter Wieser

11 Strahlgeometrie festlegen - IMRT Page11 1. Anzahl der Einstrahlrichtung bestimmen 2. Ray tracing 3. Positionen des Intensitäts-Gitter (beamlet-grid) festlegen 4. radiologische Tiefe bestimmen D ij D ij ε R NxB e.g. d i = j D ij w j... Dosisbeitrag # voxels 512 x 512 x 100 N = 26e6 # beamlets B =15000 Matlab s sparse matrix Format Hans-Peter Wieser

12 Strahlcharakteristik - Photonen Page12 photons, 1 beamlet γ-rays photons, 10 beams jeder Beam besteht aus mehreren Beamlets Photonendosisberechnung für Einheitsfluence eines jeden Beamlets Hans-Peter Wieser

13 Strahlcharakteristik Protonen Page13 protons, 1 Nadelstrahl Inverses Dosisprofil - Bragg Peak protons, 2 beams Partikel stoppen abhängig von deren initialer Energie bis zu Nadelstrahlen für einen Patienten Hans-Peter Wieser

14 Strahlcharakteristik Kohlenstoff Ionen Page14 Kohlenstoff Ionen, 1 Nadelstrahl Erhöhte Biologische Wirksamkeit Kohlenstoff Ionen, 2 beams Bessere Peak to Entrance Ratio als Protonen Dosis hinter dem Bragg Peak dose tail Geringere Strahlaufweitung als Protonen Hans-Peter Wieser

15 Die Ideelle Dosisverteilung Page15 Ziel ist es eine homogene Dosis im Krebsgewebe zu deponieren und gleichzeitig das gesunde Gewebe bestmöglich zu schonen Dosis Verschreibung in Gray 1Gy 1Joule/kg Hohe Dosis Mittlere Dosis Keine Dosis Trade-off zwischen Zielabdeckung und der Normalgewebeschonung Hans-Peter Wieser

16 Inverse Dosis Optimierung Page16 d i = j D ij w j = Dw Lineares Dosismapping Klinische Ziele müssen in mathematisches Problem konvertiert werden Minimiere die mittlere Speicheldrüsendosis... währenddessen die Dosis im Zielvolumen nicht von 60 Gy abweichen soll Dosis im Rückenmark darf 10 Gy nicht überschreiten Hans-Peter Wieser

17 Inverse Dosis Optimierung Page17 Minimiere die mittlere Speicheldrüsendosis... währenddessen die Dosis im Zielvolumen nicht von 60 Gy abweichen soll Dosis im Rückenmark darf 10 Gy nicht überschreiten fmincon IPOPT interior point Optimizer für große nicht-linear beschränkte Probleme [4] [4] A. Wächter and L. T. Biegler, On the implementation of an Interior-Point Filter Line-Search Algorithm for large-scale Nonlinear Programming, Math. Programming, 2006 Hans-Peter Wieser

18 Inverse Dosis Optimierung Page18 fmincon IPOPT interior point Optimizer für große nicht-linear beschränkte Probleme [4] Hans-Peter Wieser

19 Dosis Optimierung Hals Kopf Karzinom Page19 w = arg min f d f = 800 d i 60Gy 2 + i Target 100 Θ(d i 20Gy) d i 20Gy 2. i OAR subject to d OAR max < 10Gy d = Dw w 0 Hans-Peter Wieser

20 Inverse Dosisoptimierung Page20 Photonen Protonen Kohlenstoff Ionen

21 Validierung gegen Syngo Siemens [4] Page21 Hans-Peter Wieser

22 Performance/Leistung von matrad Page22 Hans-Peter Wieser

23 Performance Intel Core i7 2.8 GHz, 32 GB RAM Page23 Hans-Peter Wieser

24 Grafische Benutzeroberfläche Page24 Hans-Peter Wieser

25 matrad Sichtbarkeit Page25 International Journal of Medical Physics 2017: matrad wurde bereits für 8 Pubikationen verwendet Git Statistiken: 1217 commits, 58 forks, 14 Beitragende Mehr als 22 Institutionen verwenden matrad; u.a.: Hans-Peter Wieser

26 What you see is not what you get! Page26 Unsicherheiten in der Partikeltherapie Robuste Planung Hans-Peter Wieser

27 Robuste Planung - Promotionsarbeit Page27 Mittelwert μ Varianz (σ 2 ) Varianz (σ 2 ) R NxBxB Operationen Varianz (σ 2 ) Hans-Peter Wieser

28 Zusammenfassung Page28 Radiotherapie ist integraler Bestandteil der Krebstherapie Bestrahlungsplanung ist eine Grundvoraussetzung der Radiotherapie matrad deckt Nachfrage für flexibe open-source Forschungssoftware Kernfunktionalitäten sind in matrad für verschiedene Strahlmodalitäten abgebildet matrad findet weltweit vielfältige Anwendung in der strahlentherapeutischer Forschung Hans-Peter Wieser

29 Acknowledgments Page29 Mark Bangert Eduardo Cisternas Niklas Wahl Hubert Gabrys Amit Antony Bennan Silke Ulrich Guiseppe Pezzano Johanna Winter Lucas Burigo Oliver Jäkel Katia Parodi Swantje Ecker Benjamin Ackermann Malte Ellerbrock Andrea Mairani Continously growing matrad community Eric Christiansen & Emily Heath from Carleton University Canada Deutsche Forschungsgemeinschaft BA 2279/3-1 Hans-Peter Wieser

30