Computergestützte Bestrahlungsplanung: Einsatz wissensbasierter Komponenten

Mitarbeiter des Krankenhauses Moabit und der Robert-Rössle-Klinik in Berlin sowie des Deutschen Krebsforschungszentrums in Heidelberg wollen die Bestrahlungsplanung bei der Strahlentherapie krebskranker Patienten verbessern und
damit eine höhere Effektivität
dieser Behandlungsmethode
erreichen. Das Projekt wird
durch die Deutsche Krebshilfe e.V., Bonn, unterstützt.
Vor Beginn jeder Strahlentherapie wird mit Hilfe geeigneter diagnostischer Verfahren, wie der Computertomographie oder der konventionellen Röntgendiagnostik, das zu bestrahlende Herdgebiet (Krebsgeschwulst mit ihren Ausläufern) festgelegt. Die Ausdehnung dieses Gebietes ist von verschiedenen Faktoren abhängig, unter anderem von der Histologie und dem Grad der bereits erfolgten Ausbreitung des Tumors.
Eine wichtige Aufgabe der physikalisch-technischen Bestrahlungsplanung ist es, die Eintrittspforten in den Körper für die Strahlung, die den Tumor vernichten soll, so festzulegen, daß ihr Hauptanteil auf den Tumor trifft, wohingegen das benachbarte gesunde Gewebe maximal geschont wird. Um dies zu erreichen, müssen optimale Bestrahlungsbedingungen für jeden Patientenfall ermittelt und angewendet werden. Diese betreffen die Wahl der geeigneten Parameter des Bestrahlungsfeldes, wie die Strahlenenergie, die Einstrahlrichtungen, die Größe der Bestrahlungsfelder und deren Wichtung. Bei der bisherigen computergestützten Bestrahlungsplanung wird meist auf im Haus erprobte Bestrahlungstechniken für die einzelnen Tumorlokalisationen zurückgegriffen. Deren Parameter werden durch Betrachtung der jeweils resultierenden Verteilung der Dosis im Körper solange variiert, bis ein geeignetes Resultat erreicht wird. Dieses zeitaufwendige Verfahren führt nicht in jedem Fall zu der gewünschten Optimierung der Bestrahlungstechnik für den Patienten, da das Ergebnis auch im starken Maße von der Erfahrung des Planungsteams Arzt und Physiker abhängt.
Ziel des Projektes ist es, für die einzelnen Tumorlokalisationen (zum Beispiel Brust-, Darm- oder Prostatakrebs) die günstigsten Bestrahlungstechniken auszuwählen, zu analysieren und deren Parameter in den Bestrahlungsplanungsrechner einzugeben. Durch die Entwicklung einer speziellen Software ist der Computer dann in der Lage, dem Arzt für jeden Bestrahlungsfall die geeignetsten Techniken und Bestrahlungsparameter, optimiert auf die Patientenbedingungen, zur Auswahl anzubieten.
Arbeitsziele
Das Projekt gliedert sich in drei Aufgaben, die - in einem System zusammengefaßt die kommerzielle Software
der Bestrahlungsplanungsrechner ergänzen sollen:
n Es soll die Möglichkeit geschaffen werden, für unterschiedliche Tumorlokalisationen in Abhängigkeit vom Tumorstadium und von der Histologie für die Strahlentherapie relevante Herdgebiete, sogenannte Planungszielvolumina (PZV) und deren mögliche Variationen, in das System einzubinden. Nach Eingabe der individuellen Daten für die Tumorlokalisation, für das Tumorstadium und vorgegebener histologischer Schlagwörter stellt der Computer das jeweils relevante PZV in den individuellen CT-Schnittbildern auf dem Bildschirm dar. Das PZV kann nun automatisch in die Patientenquerschnitte übertragen und nach Ermessen in jedem Querschnitt modifiziert werden. Es kann aber für die Festlegung des individuellen PZV auch nur als Orientierungshilfe dienen oder ignoriert werden. Ebenso können vor Strahlung besonders zu schonende Bereiche oder Organe (Risikoorgane) in jedem Patientenquerschnitt angegeben und konturiert werden.
n Um die vorhandene medizinische und physikalische Wissensbasis in die Therapieplanung einzubeziehen, wird eine Datenbank von bewährten und erprobten Bestrahlungstechniken erstellt, die nach Tumorlokalisationen und stadien, möglichen Behandlungsstrategien und Zielgebietsdefinitionen strukturiert ist und die Visualisierung dieser umfangreichen Wissensbasis ermöglicht. Für die einzelnen Tumorlokalisationen enthält die Datenbank neben den aus der Literatur und der eigenen klinischen Routine gesammelten gebräuchlichen Bestrahlungstechniken eine nach Tumorstadium differenzierte Beschreibung des PZV sowie eine Liste der relevanten Risikoorgane mit den für eine Optimierung wichtigen strahlenbiologischen Daten. Diese Wissensbasis dient als Grundlage für die nachfolgende Optimierung der Bestrahlungsparameter für jeden Patienten.
n Es wird ein Rechenalgorithmus entwickelt, mit dessen Hilfe für die gespeicherten Bestrahlungstechniken die jeweils optimalen Behandlungsparameter gewonnen werden. Dabei wird von der sogenannten Fluenzmodulation der eingestrahlten Photonenfelder ausgegangen. Bei dieser Methode wird jedes Bestrahlungsfeld durch geeignete Maßnahmen, die das jeweilige Bestrahlungsgerät bietet (zum Beispiel Herstellung einer individuellen Feldform, Ausblockung einzelner Teile des Feldes, Benutzung von Keilfiltern, um die Neigung des Feldes zu verändern, unter-schiedliche Wichtung der Felder) so moduliert, daß in der Summation aller Felder das individuelle Planungszielvolumen bei weitgehender Schonung der Risikoorgane tumorkonform bestrahlt wird. Daneben werden innerhalb der durch die jeweilige Bestrahlungstechnik vorgegebenen Grenzen auch die Einstrahlrichtungen der Felder optimiert.
Bisherige Ergebnisse
Die rechnergestützte Generierung von Planungszielvolumina in allen für die Planung erforderlichen Transversalebenen des Patienten auf der Grundlage der Form und Lage der gespeicherten "StandardZielvolumen" erfolgt mit Hilfe anatomischer Bezugspunkte. Das sind zum Beispiel Knochenstrukturen, die der Rechner in jedem Querschnitt findet und die anatomisch relevant sind: Einer Lageänderung des Bezugspunktes entspricht auch eine Lageänderung des umgebenden Gewebes. Diese Punkte, von denen aus das gesuchte PZV transformiert wird, sollen mit den Methoden der Bildverarbeitung sicher zu bestimmen sein und sich in möglichst geringem Abstand zu dem PZV befinden. Es wurden Methoden entwickelt, die die Bezugspunkte automatisch und reproduzierbar generieren, und ein Transformationsalgorithmus der Verschiebungsvektoren für die Bezugspunkte berechnet und für das PZV interpoliert. Die Abbildung 1 zeigt das als Polygonzug ausgebildete PZV des Referenzpatienten und die Angabe von vier Bezugspunkten, die als Grundlage für das transformierte PZV in einer anatomisch ähnlichen Ebene eines anderen Patienten dienten (Abbildung 2). Das PZV ist nicht nur lateral verschoben, sondern zeigt auch aufgrund der Schieflage des Patienten eine angepaßte Verformung. Die Genauigkeit einer solchen Transformation hängt von der Zahl der erkannten Bezugspunkte ab. Bei Artefakten verringert sich damit die Genauigkeit der Transformation. Diese Übertragung anhand von Bezugspunkten ist nicht in jedem Fall tumorkonform und muß dann entsprechend korrigiert werden. Auf gleiche Weise können auch die Risikoorgane in die verschiedenen Querschnitte transformiert werden (1).
Die entwickelte Datenbank fungiert als ein Expertensystem, das den planenden Arzt oder Physiker in einzelnen Schritten von der Tumorlokalisation zum optimalen Bestrahlungsplan führt. Der Anwender wählt am Anfang die gewünschte Tumorlokalisation aus und erhält daraufhin allgemeine Informationen über die Lokalisation, die regionale Tumoranatomie, die Einordnung in die Gesamttherapie und Angaben zu üblichen Dosierungsschemata. Auf der nächsten Informationsseite sind die Kriterien zur Bestimmung des PZV und die zu berücksichtigenden Risikoorgane mit deren Grenzdosis, das heißt mit der maximal vom Organ tolerierten Dosis, angegeben. Zugleich erscheint am Fuß der Seite eine Liste mit den für die gewählte Tumorlokalisation gebräuchlichen Bestrahlungstechniken. Diese Techniken werden dem Betrachter auf der nächsten Seite detailliert vorgestellt. Ein Beispiel ist in Abbildung 3 für ein Oesophaguskarzinom dargestellt. Dort findet man die Einstellparameter der einzelnen Techniken, die in einer nebenstehenden Skizze der Tumorlokalisation jeweils illustriert sind. Der Bearbeiter kann über die Liste aller vorgeschlagenen Techniken beliebig oft einzelne Techniken oder nochmals die Informationen zum PZV aufrufen. Zum Schluß muß entschieden werden, ob einige der vorgeschlagenen Techniken für den individuellen Fall ungeeignet sind und daher nicht für die Planung berücksichtigt werden, oder ob alle eingebundenen Techniken mit ihren Parametern an das Optimierungssystem übergeben werden. Mit in dieses System fließen die individuellen Querschnitte mit den automatisch regenerierten Zielvolumina und Risikoorganen ein (2).
Im Optimierungssystem, in dem die bereits ermittelten Grundlagen eingegangen sind, erfolgt die Anpassung der Parameter mittels der genannten Fluenzmodulation. Der im Projekt entwickelte Algorithmus nähert sich dem Ziel einer optimalen Fluenzverteilung derart, daß von einzelnen diskreten Feldern ausgegangen wird, deren Parameter Feldform, Gewichtung und Keil-winkel optimiert werden. Um eine bestmögliche Dosisverteilung im Körper des Patienten zu erreichen, werden in einem iterativen Prozeß weitere Felder aus den gleichen Einstrahlrichtungen addiert. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß bei vielen Tumorlokalisationen bereits eine einfache Superposition von zwei bis drei Feldern je Einstrahlrichtung eine ausreichende Anpassung der Dosis an das vorgegebene PZV zur Folge hat. Grundlage der Optimierung ist die Minimierung einer physikalischen Zielfunktion, die auf der mittleren quadratischen Abweichung von gewünschter und berechneter Dosis im PZV sowie einiger Straffunktionen für die Risikoorgane basiert. Der gesamte Prozeß ist in dem Flußdiagramm der Abbildung 4 dargestellt. Zunächst werden in einem iterativen Verfahren für eine Bestrahlungsgeometrie (1-n Felder) die Parameter Feldform, Gewichtung und Keilfilterwinkel bestimmt. Das Minimum der Zielfunktion innerhalb des farbig unterlegten Bereichs wird dabei in der Regel bereits nach ein bis zwei Iterationsschritten erreicht. Die resultierende Dosisverteilung dcalc wird von der gewünschten Verteilung d subtrahiert. Mit diesem neuen Dosisvektor wird die Schleife erneut durchlaufen, wobei je Einstrahlrichtung das zweite Feld resultiert. Dieser Prozeß kann solange wiederholt werden, bis die gewünschte Dosiskonformität erreicht ist. Als Ergebnis der Optimierung werden die Bestrahlungspläne mit Dosisverteilungen inklusive ihrer biologischen Bewertung für die eingegebenen Bestrahlungstechniken dem Arzt zur Auswertung zur Verfügung gestellt, der daraus die günstigste Technik mit ihren für den Patienten optimierten Parametern auswählt (3).
Vorteile für die Bestrahlungsplanung
n Der oftmals langwierige und oft schwer zu entscheidende Prozeß der Ermittlung und Einzeichnung der Planungszielvolumina in die einzelnen Patientenquerschnitte wird wesentlich erleichtert und entscheidend abgekürzt.
n Vor Beginn der Bestrahlung kann eine umfassende, am aktuellen Wissensstand orientierte Information über die zu behandelnde Tumorlokalisation, der Tumorausbreitung und der relevanten Risikoorgane erfolgen.
n Bei der Bestrahlung der Tumoren werden nur langjährig erprobte Bestrahlungstechniken eingesetzt, über deren Anwendung gute Erfahrungen vorliegen.
n Die anschließende Optimierung der Feldparameter der einzelnen Bestrahlungstechniken liefert die mit den gegebenen Randbedingungen bestmögliche Erfassung des Zielvolumens bei maxi-maler Schonung der angrenzenden gesunden Gewebe. Dadurch ist man dem Ziel der Strahlentherapie einen großen Schritt näher gekommen. Dies läßt zugleich eine Verbesserung der Therapieergebnisse erwarten.
Klaus Welker, Jens Heufelder,
Martin Scholz, Klemens Zink

Kontaktadresse für die Autoren: Dr. sc. tech. Klaus Welker, Krankenhaus Moabit gGmbH, Abteilung für Medizinische Physik, Turmstraße 21, 10559 Berlin, Tel 0 30/
39 76 36 50, Fax 39 76 36 59

Abbildung 1 (oben): Durch einen Polygonzug gekennzeichnetes Tumorgebiet (Planungszielvolumen), auf das die Strahlung konzentriert werden soll. Abbildung 2 (unten): Transformation des
Planungszielvolumens in eine anatomisch ähnliche Ebene eines anderen Patienten.

Literatur
1. Scholz M, Heufelder J, Zink K, Welker K: Eine topologische Wissensbasis strahlentherapeutischer Planungszielvolumina. In: Voigtmann L, Geyer P (Hrsg.): Medizinische Physik. Dresden: Deutsche Gesellschaft für Medizinische Physik, 1998; 31
2. Heufelder J, Reinhard J, Jahn U, Scholz M, Wiener A, Zink K, Welker K: Wissensbasierte Datenbank für die Auswahl und Optimierung von Bestrahlungstechniken. In: Voigtmann L, Geyer P (Hrsg.): Medizinische Physik. Dresden: Deutsche Gesellschaft für Medizinische Physik, 1998; 33
3. Zink K, Heufelder J, Scholz M, Welker K: Fluenzmodulation mittels Superposition statischer Photonenfelder. In: Voigtmann L, Geyer P (Hrsg.): Medizinische Physik. Dresden: Deutsche Gesellschaft für Medizinische Physik, 1998; 135