Verbesserung der Zielvolumendefinition in der Strahlentherapieplanung durch den Einsatz der biologischen Bildgebung


Neff, Thomas


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URL: http://ub-madoc.bib.uni-mannheim.de/1134
URN: urn:nbn:de:bsz:180-madoc-11340
Dokumenttyp: Dissertation
Erscheinungsjahr: 2005
Verlag: Universität Mannheim
Gutachter: Männer, Reinhard
Datum der mündl. Prüfung: 24 Oktober 2005
Sprache der Veröffentlichung: Deutsch
Einrichtung: Fakultät für Wirtschaftsinformatik und Wirtschaftsmathematik > Informatik V (Männer -2008)
Fachgebiet: 004 Informatik
Normierte Schlagwörter (SWD): Strahlentherapie
Freie Schlagwörter (Englisch): biological imaging , target volume definition
Abstract: Die Definition des Zielvolumens einer strahlentherapeutischen Behandlung basiert heutzutage hauptsächlich auf CT- und MRT-Datensätzen, welche jedoch lediglich Informationen über die Morphologie des abgebildeten Gewebes liefern. Die Verfahren der biologischen Bildgebung ermöglichen einen vielschichtigen Einblick in biologische Aspekte des Gewebes und geben dadurch tiefer gehende Informationen über die Charakteristik eines Tumors. Diese Informationen können den Strahlentherapeuten bei einer erweiterten Definition des Zielvolumens unterstützen; sei es in einer verbesserten Erkennung der Tumorausdehnung, dem Anpassen von Sicherheitssäumen an individuelle Gegebenheiten oder bei der Definition eines Boost-Volumens. Die vorliegende Arbeit präsentiert einen Workflow zur Integration der biologischen Bildgebung in die Strahlentherapie. Der Workflow enthält den Import der von den bildgebenden Modalitäten generierten DICOM-Daten und deren Weiterverarbeitung zu Parameterkarten, die die relevanten Informationen in einer für den Strahlentherapeuten aufbereiteten Form enthalten. Außerdem wird im Workflow die Registrierung der Parameterkarten mit dem Bestrahlungsplanungs-CT durchgeführt. Die registrierten Parameterkarten erlauben die Fusionierung der Bilddaten im Koordinatensystem des Bestrahlungsplanungs-CTs und damit eine manuelle, multi-modale Segmentierung des Zielvolumens. Der Workflow ist in einem Modul des Bestrahlungsplanungs-Systems VIRTUOS abgebildet. Es wurde darauf geachtet, dass die einzelnen Teilaspekte des Workflows unabhängig voneinander geändert und erweitert werden können. Im Rahmen dieser Arbeit wurden mehrere Analyseverfahren implementiert, die unterschiedliche Aspekte der Tumorbiologie beleuchten. Informationen über die Physiologie liefert die pharmakokinetische Analyse der T1w DCE-MRI, deren Parameterkarten die Gewebeperfusion quantifizieren. Die Weiterverarbeitung der spektralen Informationen der 1H CSI ermöglicht die einfache Betrachtung des Metabolismus und somit die Erkennung von Regionen mit abnormalem Stoffwechsel. Schließlich stellt die voxel-weise Berechnung des Standardized Uptake Value oder der Patlak-Analyse eine Möglichkeit dar, mittels Parameterkarten die vielfältigen Informationen (wie z. B. Hypoxie, Proliferation oder Tumorlast) der unterschiedlichsten PET-Tracer standardisiert in die Strahlentherapie mit einzubeziehen. Das Expertenwissen über die Grundlagen der biologischen Bildgebung und ihre Eigenheiten ist sehr vielschichtig und für einen Strahlentherapeuten in seiner Gesamtheit nicht zu erfassen. Für die richtige Interpretation der Ergebnisse ist dieses Wissen absolut notwendig. Um dem Strahlentherapeuten den Zugang zu neuen Verfahren der biologischen Bildgebung zu erleichtern, wurde weiterhin eine Erklärungskomponente entwickelt, in der das vielfältige Wissen über die unterschiedlichen Verfahren gesammelt und auf unterschiedliche Arten ausgewertet werden kann. Durch die vorgestellte Arbeit wurde die Grundlage geschaffen, eine umfangreiche biologische Charakterisierung des Tumors für die Strahlentherapie nutzbar zu machen.
Übersetzter Titel: Improvement of the target volume definition in radiotherapy by the use of biological imaging (Englisch)
Übersetzung des Abstracts: The definition of a target volume for radiotherapy is mainly based on CT or MRI data. These data sources however only give information about tissue morphology. The methods of biological imaging enable a complex insight into the biological aspects of the tissue and give therefore comprehensive information about tumour characteristics. This additional information can support the radiation therapist in an enhanced definition of the target volume: in the improved identification of the tumour extension, the adaption of security margins to individual patient data, or in the definition of a boost volume. This PhD thesis presents a workflow for the integration of biological imaging into radiotherapy. The workflow comprises the DICOM-import of image data and the post-processing of these data to generate parameter maps, which contain the relevant information in a form, adequate for radiation therapists. Furthermore, within the workflow the registration of parameter maps with planning CT is conducted. After registration the parameter maps can be fused with planning CT and a manual, multi-modal segmentation of the target volume can be made by radiation therapists. The workflow is implemented as a module of the radiotherapy planning system VIRTUOS. The individual parts of the workflow can be adapted and extended independently. Within the scope of this thesis several methods to analyse image data were implemented, which probe different aspects of the tumour biology. Information about the perfusion of the tissue is given by pharmacokinetic analysis of T1w DCE-MRI. The post-processing of the spectral information of 1H CSI enables the identification of regions with pathological metabolism. Finally, the voxel-wise calculation of the Standardised Uptake Value gives the possibility to incorporate the versatile information of the different PET tracers (e.g. hypoxia, proliferation, or tumour burden) into radiotherapy in a standardised manner. The expertise of the basics of biological imaging and the correct interpretation of the data is very complex. For a radiation therapist it is not possible to cover the field of biological imaging entirely. To ensure the correct interpretation of the data and to help the radiation therapist to understand the new methods of biological imaging, a so called explanation component was implemented. It contains the expertise of the different methods within a knowledge base and can be evaluated in different ways. This thesis provides a basis for the incorporation of the extensive biological characterizations of tumours into radiotherapy. (Englisch)
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Neff, Thomas (2005) Verbesserung der Zielvolumendefinition in der Strahlentherapieplanung durch den Einsatz der biologischen Bildgebung. [Dissertation]
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