Kontrollen des Planungs-Bestrahlungsprozesses bei IMRT

Die Bestrahlungstechnik der IMRT (Intensitätsmodulierte Radiotherapie) hat sich bis zum Jahr 2009 in den meisten radio-onkologischen Institutionen der Schweiz als Bestrahlungstechnik der Wahl bei komplexen anatomischen Gegebenheiten etabliert. In den ersten drei Kapiteln dieser Arbeit werden das Prinzip der IMRT, die technischen Voraussetzungen und die erforderlichen patientenbezogenen Kontrollen vorgestellt.
Voraussetzung zur Anwendung dieser anspruchsvollen Bestrahlungstechnik sind unter anderem Qualitätskontrollen für jedes Glied der Planungs-Bestrahlungskette, die den sich laufend verändernden Ansprüchen Rechnung tragen. Das vierte Kapitel widmet sich einigen im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Gerätekontrollen, die auf der Verwendung eines EPID (engl.: electronic protal imaging device) basieren: Im Kapitel 4.1. werden Methoden vorgestellt, mit denen die Konstanz der Homogenität, Symmetrie und Energie der Photonen- oder Elektronenfelder überprüft werden kann. Während der Bildaufnahme liegt ein Plexiglas-Stufenkeil auf dem EPID. Die gewonnenen Bilder werden pixelweise mit Referenzbildern verglichen, und ein Differenzbild wird berechnet. An Regionen, die in der Nähe der Feldränder und in der Feldmitte liegen, werden die durchschnittlichen Pixelwerte ermittelt. Sie ermöglichen zusammen mit dem Differenzbild Rückschlüsse auf die Symmetrie und Homogenität des Strahlenfeldes. Die Abschwächung des Signals über den Stufen ist ein Mass für die Energie des applizierten Feldes. Die vorgestellten Kontrollen sind zeiteffizient, ohne dass dabei Genauigkeit preisgegeben werden muss.
Im Kapitel 4.2. werden drei Methoden für die Kontrolle der Lamellenpositionen der MLC (engl.: Multi-Leaf Colimator) präsentiert. Bei der Abstrahlung von IMRT-Plänen formen die Lamellen teilweise sehr kleine Felder. Schon geringe Abweichungen der Lamellen von der Sollposition haben erheblichen Einfluss auf die applizierte Dosis. Kontrollen der Lamellenpositionen müssen deshalb auch Abweichungen deutlich unter einem Millimeter detektieren können. Im Programm „MLC check“ sind drei prinzipiell unterschiedliche Methoden realisiert: Die erste Methode vergleicht ein Set aktuell aufgenommener Bilder von durch die Lamellen geformten Feldern mit Referenzbildern. Abweichungen in der Positionierung des EPID werden durch Lokalisierung der Signale zweier Marker berücksichtigt, die in einer Trägerplatte eingebracht sind. Die zweite Methode misst die Lamellenpositionen relativ zum dazugehörenden Backup-Kollimator. Die dritte Methode definiert mittels der im EPID-Bild dargestellten Marker das zugrunde liegende Koordinatensystem des Strahlenfeldes und misst anschliessend die Positionen der Lamellenspitzen.
Werden zwei Marker verwendet, können Verkippungen des EPID nicht berücksichtigt werden. Deshalb wird eine auf mindestens drei Markern basierende Methode vorgestellt, die auch Verkippungen des EPID einbezieht. Sie erlaubt es zudem, drei Parameter für Translationen und drei weitere Parameter für Rotationen zu berechnen, welche die Position des EPID beschreiben. Anhand von Simulationen werden theoretische Überlegungen zur erwarteten Messgenauigkeit angestellt. Messungen und die Implementierung der neuen Messmethode in „MLC check“ sind später vorgesehen.
Die Bedeutung einer regelmässig stattfindenden Kontrolle eines Parameters oder mehrerer Parameter durch eine externe Instanz ist allgemein anerkannt. In der Schweiz bietet die SGSMP (Schweizerische Gesellschaft für Strahlenbiologie und Medizinische Physik) jährlich einen Dosimetrievergleich an, der eine Überprüfung der Maschinenkalibration und eines weiteren grundlegenden Dosisparameters zum Gegenstand hat. Der Dosimetrievergleich wird vom Physikteam des Kantonsspitals St.Gallen unter der Verantwortung des Autors durchgeführt. Um der zunehmenden Bedeutung der IMRT Rechnung zu tragen, wurde entschieden, den Dosimetrievergleich des Jahres 2008 auf die gesamte Planungs-Bestrahlungskette der IMRT auszuweiten. Dabei sollte die Fähigkeit der verwendeten Dosisberechnungsalgorithmen getestet werden, Inhomogenitäten im Bereich des Thorax adäquat zu berücksichtigen. Wiederum übernahm das Team des Kantonsspitals St.Gallen unter Leitung des Autors die Verantwortung für die Planung und Durchführung. Der IMRT-Dosimetrievergleich bildet den wesentlichen Teil dieser Arbeit. Im Rahmen einer Umfrage wurden die Erwartungen der Institutionen abgeklärt und wurde ein passendes Phantom evaluiert.
In einem Pilotversuch, an dem sechs Institutionen teilnahmen, wurden das Prozedere und die auf TLD- (Thermolumineszenzdosimeter) und Filmmessungen basierenden Messungen getestet. Die Bestrahlung wurde mit einem einfachen Stehfeld durchgeführt, das unter einem Gantrywinkel von 90° auf das Thoraxphantom abgestrahlt wurde. Das Physikteam des Inselspitals Bern bestätigte mittels Monte-Carlo-Berechnungen die Richtigkeit der TLD-Messungen. Der IMRT-Dosimetrievergleich der SGSMP wurde in der Zeit vom Juli 2008 bis Februar 2009 durchgeführt. Alle 23 in der Schweiz tätigen radioonkologischen Institutionen nahmen mindestens einmal am Vergleich teil. Für die Berechnung der Dosisverteilung verwendeten einige Institutionen zwei verschiedene Rechenalgorithmen. Insgesamt konnten so 30 Planungs-Bestrahlungs-Kombinationen untersucht werden. Zur Auswertung wurden die Rechenalgorithmen in Typ-a und Typ-b Algorithmen klassiert. Im Gegensatz zu Typ-a Algorithmen berücksichtigen Typ-b Algorithmen die dreidimensionale Dichteverteilung und sind fähig, den Transport der Sekundärelektronen adäquat zu berechnen. Der Dosimetrievergleich hat dies klar bestätigt.
Für den auf die verschriebene Dosis bezogenen Unterschied zwischen angegebener und gemessener Dosis wurde das verbreitete Akzeptanzkriterium von 5 % verwendet. Von den Typ-a Berechnungen wurde es in 75 von 84 Vergleichen (89 %) erfüllt. Wurden die Messungen im Lungenbereich des PTV nicht berücksichtigt, waren es noch 69 von 72 Vergleichen (96 %). Bei den Typ-b Algorithmen erfüllten 124 von 126 Vergleichen das Kriterium (98.5 %). Ausserhalb des Lungengewebes waren beide Typen gleichermassen zuverlässig. Die erreichten Resultate sind ausserordentlich erfreulich und belegen die hohe Qualität der in den radioonkologischen Institutionen der Schweiz betriebenen Dosimetrie.
Die fachgerechte Konturierung des Tumors in den für die Planung verwendeten CT-Schnitten (Computer-Tomografie) stellt eines der drängendsten Probleme der Radiotherapie dar. Einerseits stellt sich der Tumor in den Bildern oft nur unklar dar, andererseits bedarf es eines erheblichen Aufwandes, innerhalb eines Teams – geschweige denn zwischen verschiedenen Institutionen – einen auf klaren Regeln basierenden Konsens zu finden, der möglichst vielen klinischen Krankheitsbildern gerecht wird. Während des Dosimetrievergleichs konnte diesem Aspekt, wie z.B. auch den bei der Lagerung des Patienten auftretenden Schwierigkeiten, keine Rechnung getragen werden.
Im sechsten Kapitel dieser Arbeit werden auf topologischen Regeln beruhende Methoden für den Vergleich zwischen Strukturen vorgestellt. Diese sind nicht nur empfindlich auf Volumenunterschiede, sondern auch auf relative Lageunterschiede ansonsten identischer Strukturen. So misst die Koinzidenzzahl cV die Übereinstimmung mehrerer Strukturen. Für deckungsgleiche Strukturen nimmt cV den Wert eins, für vollkommen auseinander liegende Strukturen den Wert null an. Weitere topologische Grössen beschreiben die Übereinstimmung zweier Strukturen untereinander oder die Übereinstimmung einer Struktur mit mehreren anderen Strukturen. Losgelöst von dieser Arbeit wurden die Vergleichsmethoden verwendet, um den Konturierungsprozess im Rahmen der Prostata-Brachytherapie zu vereinheitlichen. Hier wird eine geplante Anwendung für die externe Radiotherapie des Prostatakarzinoms vorgestellt. Mit Hilfe der topologischen Vergleichsmethoden soll geklärt werden, inwiefern an CT-Bilder angepasste (fusionierte) MR-Bilder (Magnetresonanz) beim Konturieren der Prostata hilfreich sind. Mehrere Personen zeichnen die Prostata zuerst nur mit den CT-Bildern, anschliessend erneut mit CT- und MR-Bildern ein. Die Übereinstimmung beider Sets von Bildern wird durch die Koinzidenzzahl ausgedrückt. Falls die zusätzliche Verwendung von MR-Bildern zu einer signifikanten Verbesserung der Übereinstimmung führt, werden beim Vorliegen eines Prostatakarzinoms in Zukunft standardmässig beide Bildmodalitäten angefordert.