Virtuelle 3D-Simulation der Strahlentherapie mit VIRTUOS

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1 Medizin Verlag: pp Virtuelle 3D-Simulation der Strahlentherapie mit VIRTUOS R Bendl, A Höss, M Keller, K Preiser, J Pross, W Schlegel Deutsches Krebsforschungszentrum Heidelberg Einführung In der klinischen Praxis wird eine Strahlentherapie in der Regel zweidimensional geplant. Das heißt, daß der Therapeut an Hand einer oder einiger ausgewählter CT-Schichten die Bestrahlungsparameter (Einstrahlrichtung, Feldgröße, -Form etc.) definiert und die zu erwartende Dosis in dieser(n) Schicht berechnet. Ist die Dosisverteilung akzeptabel wird der Patient entsprechend behandelt. Eine zweidimensionale Planung kann die dreidimensionale Ausdehnung von Zielvolumina und Risikoorganen nicht ausreichend berücksichtigen. Überdosierungen in Risikoorganen und Unterdosierungen im Zielvolumen sind möglich. Strahlenfelder, die nicht parallel zu einer CT-Schicht einstrahlen (noncoplanar), können damit nicht berechnet werden. Die Wahl der Parameter ist dadurch sehr eingeschränkt. Ziel der dreidimensionalen Planung ist es, diese Nachteile zu beseitigen, und die Dosisverteilung möglichst exakt an das Zielvolumen anzupassen. Dadurch wird es u.u. möglich, den Tumor mit einer höheren Dosis zu bestrahlen und damit die Tumorkontrollwahrscheinlichkeit entscheidend zu verbessern und die Nebenwirkungen deutlich zu reduzieren. Aufgrund der vielen Behandlungsalternativen ist die 3D-Planung jedoch ein zeitraubender Vorgang und hat sich deshalb in der klinischen Routine noch nicht durchgesetzt. VIRTUOS ist ein virtueller Therapiesimulator der den Therapeuten bei den komplexen Aufgaben der 3D-Planung und Verifikation bestmöglichst unterstützen soll [1]. Darüber hinaus bietet VIRTUOS die Möglichkeit am Rechner neue Bestrahlungstechniken zu entwickeln und zu evaluieren. In den letzten zwei Jahren wurde die Strahlentherapie von über 200 Patienten an der Radiologischen Klinik der Universität Heidelberg mit diesem Programm geplant und es hat sich gezeigt, daß der Planungsaufwand damit deutlich reduziert werden kann [4]. Methoden Die 3D Strahlentherapieplanung basiert auf einem Datensatz von lückenlos aufeinander folgenden CT-Schichten, einem sog. CT-Würfel. In diesem CT-Würfel werden die Risikoorgane und Zielvolumina segmentiert. Während der Planung muß der Therapeut die Einstrahlrichtung (definiert durch den Winkel der Gantry und der Patientenliege), die Größe, Orientierung und Form des Feldes bestimmen. Hat er einen Plan erstellt, berechnet er die Dosis. Ist die Dosisverteilung nicht zufriedenstellend, beginnt eine Optimierungschleife, in der die Parameter solange verändert werden, bis die gewünschte Dosisverteilung erreicht wird. CT-Würfel und Konturen sind die Ausgangsdaten für die Planung. Für den Therapeuten ist es wichtig auf alle relevanten Informationen möglichst schnell zugreifen zu können. Dazu ist ein übersichtliches und einfach zu bedienendes Interface notwendig. VIRTUOS bietet folgende Hilfsmittel: Back projection Das Interface enthält drei Fenster mit orthogonalen Schnitten durch den CT-Würfel. Den CT-Schichten werden die zuvor segmentierten Konturen und die Grenzen der

2 Medizin Verlag: pp Strahlenfelder überlagert. Damit kann sich der Therapeut die Position, Richtung und Ausdehnung der einzelnen Strahlenfelder gut vorstellen, die Berücksichtigung von Strukturen, die nicht in den angezeigten Schichten liegen bleibt schwierig[5]. Beam's Eye View Dies ist das wichtigste Hilfsmittel für die Planung. Ein dreidimensionales Modell des Patienten wird präsentiert. Der Beobachter befindet sich an der Position der Strahlenquelle und blickt durch den Kollimator auf das Patientenmodell, so kann er sehr leicht feststellen, ob sich Risikoorgane im Strahlenfeld befinden, bzw. ob das Zielvolumen vollständig vom Strahlenfeld eingeschlossen wird. Um geeignete Einstrahlrichtungen finden zu können ist es wichtig, daß das Modell vom Therapeuten sehr schnell interaktiv um die Achsen der Bestrahlungseinrichtung gedreht werden kann. Die Geschwindigkeit hat dabei Vorrang vor der Qualität der erzeugten Bilder. Mit Hilfe der Beam's Eye View kann auch die Größe, Orientierung und Form des Strahlenfeldes sehr leicht festgelegt werden [5][6]. Die Beam's Eye View zeigt sehr gut, welche anatomischen Strukturen sich in einem Strahlenfeld befinden. Besteht ein Plan jedoch aus einer Vielzahl einzelner Felder, ist es schwierig, einen Eindruck vom gesamten bestrahlten Volumen zu bekommen. Observer's View Hier sieht der Therapeut ebenfalls das dreidimensionale Patientenmodell, aber aus beliebigen Richtungen. Zusätzlich zur Beam's Eye View wird die dreidimensionale Ausdehnung aller Strahlenfelder gezeigt. Er bekommt einen guten Eindruck vom gesamten bestrahlten Volumen und findet schnell die besten Positionen für zusätzliche Strahlenfelder [2]. Virtuelle Therapiesimulation In der klinischen Routine werden Einstrahlrichtung, Größe und Orientierung eine Feldes mit Hilfe eines Therapiesimulators definiert und überprüft. Ein Therapiesimulator ist ein Röntgengerät mit der gleichen Geometrie wie das Bestrahlungsgerät. Aus der Position der Strahlenquelle (entspricht der Beam's Eye View) wird ein Röntgenbild aufgenommen, mit dessen Hilfe die Parameter eingestellt und verifiziert werden. Wenn solche Möglichkeiten bereits vom Planungsprogramm angeboten werden, spricht man von virtueller Therapiesimulation. Der Therapeut sollte die Möglichkeit haben, die Parameter in der selben Weise einzustellen wie am Beschleuniger. Dies läßt sich am besten mit einem graphischen User Interface realisieren. Zur Kollisionskontrolle, die besonders bei dynamischen Bestrahlungstechniken notwendig ist, wird in einem zusätzlichen Fenster ein dreidimensionales Modell der gesamten Bestrahlungseinrichtung präsentiert, das sich synchron zur Veränderung der Einstellungen in der Beam's Eye View mit verändert [7]. Datenbasis mit Beispielplänen Die klinische Erfahrung hat gezeigt, daß Patienten mit ähnlichen Tumorlokalisationen oft mit der gleichen Technik bestrahlt werden. Wir haben eine hierarchisch strukturierbare Datenbasis dazu gefügt, in der der Therapeut für gut befundene Pläne speichern kann. Diese ausgearbeiteten Beispielpläne beschleunigen die Planung erfahrener Therapeuten und geben eine gute Hilfestellung für jene, die noch nicht mit dreidimensionaler Therapieplanung vertraut sind.

3 Medizin Verlag: pp Definition von Bestrahlungstechniken In der klinischen Routine verwendet man i.d.r. nur einfache Stehfelder. Da diese jedoch oft nicht zur gewünschten Dosisverteilung führen, ist man auf der Suche nach anderen Techniken. Bei dynamischen Techniken wird während der Bestrahlung ein oder mehrere Parameter (z.b. der Gantrywinkel) kontinuierlich verändert. Dabei wird die Dosis über einen größeren Bereich gesunden Gewebes verteilt, kann damit unter gewebespezifischen Toleranzgrenzen gehalten werden, während sie sich im Zielvolumen zur gewünschten Höhe summiert. Überlagert man verschieden geformte Felder aus der selben Richtung, so kann man damit die Intensität eines Strahlenfeldes in sich modulieren. Solche Felder werden für die inverse Bestrahlungsplanung benötigt [3]. Bei der inversen Therapieplanung gibt man die gewünschte Dosisverteilung und z.b. die Anzahl der Felder vor. Ein Optimierungsalgorithmus berechnet, wie die einzelnen Strahlenfelder moduliert oder gewichtet werden müssen, um die gewünschte Dosisverteilung zu erhalten. All diesen Techniken ist gemein, daß sie aus einer Vielzahl verschiedener Beams bestehen. Parameterdefinitionen sollen dabei entweder für alle, für bestimmte Untergruppen oder auch nur für einzelne Beams gelten. Es wurde ein Schema entwickelt und implementiert, mit dem beliebige Techniken vom Anwender als sogenannte Templates definiert werden können. Aufgrund dieser Templates kann VIRTUOS dann die Definition der einzelnen Parameter geeignet unterstützen. Darstellung und Evaluation der Dosisverteilung Die Definition eines Bestrahlungsplans ist ein iterativer Prozeß. Nachdem der Therapeut den Plan definiert hat, muß er die Dosisverteilung überprüfen und gegebenenfalls den Plan modifizieren. Die Dosisverteilung ist so zu optimieren, daß möglichst das ganze Zielvolumen homogen mit der therapeutisch notwendigen Dosis bestrahlt wird und die maximale Strahlenbelastung der Risikoorgane unterhalb der jeweiligen Toleranzdosis bleibt. Der Therapeut hat verschiedene Möglichkeiten die Dosisverteilung zu überprüfen: Die Dosisinformation kann der CT-Information in Form von Isodosenlinien überlagert werden. Die Dosisverteilung kann damit in den CT-Bildern beurteilt werden [6]. Es ist jedoch schwierig einen Eindruck der gesamten räumlichen Dosisverteilung zu erhalten. Eine zweite Möglichkeit der Visualisierung besteht in der Integration der Isodosenlinien in das dreidimensionale Patientenmodell. Auf einen Blick kann der Therapeut erkennen, ob das Zielvolumen vollständig von der therapeutisch notwendigen Dosis eingeschlossen wird [6]. Schwieriger wird es, wenn der Therapeut erkennen will, welche Dosis die Bereiche bekommen, die außerhalb einer bestimmten Dosislinie liegen. Eine weitere Möglichkeit ist die Darstellung der Oberflächendosisverteilung. Hier werden die Risikoorgane und Zielvolumina entsprechend der Dosis auf ihrer Oberfläche eingefärbt. Sehr schnell lassen sich heiße und kalte Spots und die darin auftretende Dosis erkennen. Dosis-Volumen-Histogramme zeigen das Volumen der anatomischen Strukturen in Abhängigkeit der Dosis, die diese Strukturen erhalten. Über- und Unterdosierungen lassen sich gut identifizieren. Zusammenfassung und Diskussion Es gibt mittlerweile eine ganze Reihe 3D-Planungsprogramme für die Strahlentherapie, mit ganz unterschiedlichen Eigenschaften (GRATIS von Sherouse, STP Fa. Laibinger, TARGET General Electric, AXIOM Siemens, HELAX, etc.). Manche davon sind sehr langsam oder

4 Medizin Verlag: pp bieten keine gute visuelle Unterstützung, andere unterstützen nur bestimmte Bestrahlungstechniken. VIRTUOS wird seit zwei Jahren an der Radiologischen Klinik der Universität Heidelberg eingesetzt und es hat sich gezeigt, daß sich damit die Planungszeit deutlich reduzieren läßt [4]. Es stellt dem Therapeuten alle graphischen Hilfsmittel zur Verfügung, die er zur Definition und Verifikation von Bestrahlungsplänen benötigt. Neue Techniken der Informationspräsentation wie Observer's View und Oberflächendosisverteilung wurden implementiert. Vor allem die Observer's View bietet eine gute Unterstützung bei der Definition komplexer Bestrahlungstechniken. Die Darstellung der Oberflächendosisverteilung erleichtert das Auffinden heißer und kalter Spots und beschleunigt damit die Verifikation von Bestrahlungsplänen. Mit der Möglichkeit Pläne in einer hierarchisch geordneten Datenbasis abzuspeichern, kann in Zukunft auch Therapeuten eine Hilfestellung gegeben werden, die mit der dreidimensionalen Therapieplanung noch nicht vertraut sind. Die Möglichkeiten zum Design und zur Verifikation neuer Bestrahlungstechniken machen VIRTUOS zum geeigneten Werkzeug für den Therapeuten in der klinischen Forschung, der nach neuen Therapieformen sucht. Die Entwicklung ist jedoch noch nicht abgeschlossen. Zur Zeit arbeiten wir noch an der 3D Darstellung der Bestrahlungseinrichtung. Darüber hinaus wollen wir Möglichkeiten zum qualitativen und quantitativen Vergleich verschiedener Bestrahlungspläne implementieren. Literatur 1. Bendl R: Entwicklung und Implementation einer Benutzerschnittstelle zur virtuellen Strahlentherapiesimulation. Technical Report CVR 2/91, Institut für Radiologie und Pathophysiologie, Deutsches Krebsforschungszentrum, Heidelberg (1991) 2. Bendl R, Pross J, Keller M, Bürkelbach J, Schlegel W: VIRTUOS - A Program for VIRTUal radiaotherapy Simulation In: Proceedings of the International Symposium CAR '93, Computer Assisted Radiaology (Lemke HU et. al. ed.), pp , Springer Verlag Berlin Heidelberg (1993) 3. Bortfeld T, Bürkelbach J, Boeseke R, Schlegel W: Methods of image reconstruction from projections applied to conformation therapy Phys. Med. Biol. 35, pp (1990) 4. Gademann G, Schlegel W, Bürkelbach J, Laier C, Behrens S, Brieger S, Wannenmacher M: Dreidimensionale Bestrahlungsplanung. Untersuchungen zur klinischen Integration to be published in Strahlenther Onkol(1993) 5. Goitein M, Abrams M, Rowell D, Pollari H, Wiles J: Multi dimensional treatment planning: II. Beam's eye view, backprojection and projection through CT-sections. Int. J. Radiation Oncology Biol. Phys.,9: (1983) 6. Schlegel W: Computer Assisted Radiation Therapy Planning. In: 3D Imaging in Medicine (Höhne KH, ed.) NATO Series, Vol F 60, pp , Springer Verlag Berlin Heidelberg (1990) 7. Sherouse GW, Mosher CE: User interface issues in radiotherapy CAD software. In: Bruinvis IAD et al (eds) The use of computers in radiation therapy North Holland, Amsterdam,p,429 (1987)

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