Biomechanische Modellierung für die adaptive Strahlentherapie

Hochpräzise Verfahren der Strahlentherapie ermöglichen eine exakte Strahleinstellung, sodass in unbewegter Anatomie eine hochkonforme Bestrahlung der Zielstruktur möglich wäre und gleichzeitig strahlenempfindliche benachbarte Organe geschont werden könnten. Doch trotz umfangreicher Maßnahmen zur Patientenfixierung kommt es aufgrund von unterschiedlichen Gelenkstellungen, unterschiedlichen Füllständen von Hohlraumorganen und vergleichbaren Veränderungen zu erheblichen Abweichungen zwischen der anatomischen Situation im CT-Bestrahlungsplanungsbild und der tatsächlichen Situation an den späteren Behandlungstagen.

Viele dieser Veränderungen verursachen Deformationen und können durch eine einfache Korrektur der Position oder der Orientierung des Patienten, wie dies üblicherweise durch eine bildgestützte Strahlentherapie (IGRT) durchgeführt wird, kaum kompensiert werden. Um eine robuste Erfassung der Zielstruktur zu gewährleisten, wird deshalb ein homogener, zu bestrahlender Sicherheitssaum hinzugefügt. Die Größe des dadurch zwangsläufig geschädigten gesunden Gewebes kann bis zu 50 Prozent der Größe des Tumors betragen.

In dieser Arbeit wird ein System entwickelt, das die Generierung plausibler, repräsentativer Deformationsszenarien ermöglicht, welche die zu erwartenden anatomischen Veränderungen zwischen Bestrahlungsplanung und den Behandlungstagen repräsentieren.
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Dazu werden patientenspezifische, biomechanische Modelle des neuen Patienten mit einem statistischen Deformationsmodell kombiniert, das aus extrahierten Deformationsmerkmalen täglicher Kontrollbilder des Therapieverlaufs anderer Patienten gebildet wird. Mit einem Quasi-Monte-Carlo-Verfahren werden aus den statistischen Modellen der Deformation zufällige Szenarien generiert. Diese beschreiben jeweils eine zufällige Pose oder Organform und werden verwendet, um das biomechanische Modell eines neuen Patienten in eine vergleichbare Konfiguration zu verformen.

In retrospektiven Analysen werden die Deformationen aus den Kontrollbildern des Therapieverlaufs verschiedener Patienten extrahiert und mit einer Vorhersage verglichen. Dazu wird mit den Simulationsergebnissen der Bewegungsspielraum der Zielstrukturen eingegrenzt und ein angepasster Sicherheitssaum ermittelt. Es wird gezeigt, dass der benötigte Sicherheitssaum deutlich reduziert werden kann. Durch die Verwendung von fast 700 Kontrollbildern von Pelvis- und Kopf-Hals-Patienten wird dabei auch die Generalisierbarkeit der Methoden demonstriert.

Über eine Adaption von Sicherheitssäumen hinaus können die Simulationsergebnisse verwendet werden, um das CT-Bestrahlungsplanungsbild zusammen mit den strahlentherapie-relevanten, segmentierten Strukturen zu deformieren, was für aufwendigere Planungsmethoden (z. B. robuste Dosisberechnungen) verwendet werden kann.