Bildgebung für die Bestrahlungsplanung

39. DGMP Tagung 2008 in Oldenburg
Bildgebung für die Bestrahlungsplanung
Otto A Sauer
Klinik für Strahlentherapie, Klinikum der Julius-Maximilians Universität, Josef-Schneider-Str. 11,
97080 Würzburg
Einleitung
Zielvolumenbestimmung, Dosierung und Dosisberechnung beruhen weitgehend auf dreidimensionalen
Darstellungen spezifischer Eigenschaften menschlichen Gewebes. Anatomische Bildgebung mittels CT oder
MR ist Standardwerkzeug bei der Festlegung von Tumor- bzw. Zielvolumen [1]. Die hohe „Inter-Observer“
Variabilität bei der Volumenfestlegung zeigt jedoch die relative Schwäche dieses entscheidenden Gliedes in der
strahlentherapeutischen Behandlungskette [2]. Biologische Bildgebung mittels funktioneller MR bzw. den
nuklearmedizinischen Verfahren SPECT und PET sind aktuelle klinische Forschungsgebiete [3]. Ziel ist es
zuverlässige Aussagen über Tumorlast und zelluläre Eigenschaften zu gewinnen, um letztlich die
Strahlenempfindlichkeit einzelner Voxel, für eine optimale Dosisverteilung zu kennen. In diesem Beitrag werden
die verschiedenen bildgebenden Verfahren und ihre Bedeutung für die Bestrahlungsplanung vorgestellt.
CT
Heutiger Stand der Technik ist der Spiral-Computertomograf mit bis zu 64 oder mehr Detektorzeilen. Die
minimale Rotationszeit beträgt 0,3s, so dass die Zeit für einen Volumenscan im Wesentlichen durch den
maximal erlaubten Tischvorschub von 100 mm/s begrenzt ist. Dank Röhrenstrommodulation (tube current
modulation TCM) und automatischer Belichtungssteuerung (automatic exposure control AEC) lässt sich das
Verhältnis von Bildqualität zu Dosis optimieren. Bei Schichtdicken bis zu minimal 0,5 mm wird eine isotrope
Auflösung erreicht. Für eine Übersicht wird auf einen Artikel von W. Kalender verwiesen [2].
Seit den 1980er Jahren werden CT Bilder routinemäßig in der Bestrahlungsplanung eingesetzt [5]. Aufgrund
seiner hohen Verfügbarkeit ist die CT das übliche Mittel zur Definition von Zielvolumina und zur Festlegung
von Risikobereichen. Für die Dosisberechnung, insbesondere unter Berücksichtigung von Inhomogenitäten ist
die CT unverzichtbar [6].
Für die Dosisberechnung ist die Kalibrierung der CT-Zahlen in Elektronendichte erforderlich. Diese erfolgt
mit einem Phantom bestehend aus Materialien bekannter Zusammensetzung. Während geometrische
Verzerrungen im CT kaum ein Problem darstellen, verringern Metallartefakte häufig die Brauchbarkeit der
Daten. Methoden, wie adaptive Filterung der Rohdaten können dies verbessern [8].
Die Festlegung von Zielvolumina ist durch den ehr geringen Weichteilkontrast und durch inter- und
intrafraktionelle Bewegung der Organe relativ zu externen oder anatomischen Markern erschwert. Die
Unsicherheit in der Ortsbestimmung wird im Allgemeinen durch Sicherheitssäume ausgeglichen. Das van
Herk’sche Rezept hat sich dabei etabliert [1]. Der notwendige Sicherheitssaum zum Erzielen einer hohen
Tumorkontrolle ergibt sich aus dem 2,5-fachen systematischen plus dem 0,7-fachen zufälligen Fehler. Zur
Bestimmung der Ortsvariabilität dienen 4D-CT bzw. wiederholte Scans während einer Bestrahlungsserie. Mit
entsprechenden Hilfen, wie Atemsteuerung und Bauchpressen lässt sich die Beweglichkeit einschränken.
Kontrastmittel dienen der besseren Abgrenzung zwischen pathologischem und normalem Gewebe. Durch
Messung des zeitlichen Verlaufs der Kontrastmittelaufnahme lassen sich Perfusions- und Diffusionsvermögen
des Gewebes bestimmen [9].
MRI
Wegen seines überragenden Weichteilkontrasts ist die Magnetresonanztomografie bei vielen Entitäten
unverzichtbar. 1,5 Tesla Geräte sind klinischer Standard. Durch höhere Magnetfelder lassen sich die
Ortsauflösung verbessern und die Messzeiten verkürzen. Somit sind auch funktionelle Prozesse darstellbar. Eine
aktuelle Übersicht findet sich z.B bei Payne und Leach [10].
Aufgrund von Inhomogenitäten des Magnetfeldes können Verzerrungen von bis zu mehreren Millimetern
auftreten. Für den Einsatz in der Therapie ist die Verzerrung zu prüfen und gegebenenfalls zu korrigieren. Dies
ist mittels Phantommessungen im MR-Tomografen möglich [11]. Verzerrungen durch Objekte spielen nur eine
untergeordnete Rolle.
Vor allem bei Prostata-, Hirn- und Leberläsionen wurde versucht die Richtigkeit der Zielvolumenbestimmung durch den
Strahlentherapeuten zu evaluieren [12]. Für die Prostata wurden mit MRI um über 40% geringere Volumina bestimmt. In
39. DGMP Tagung 2008 in Oldenburg
einer älteren Arbeit zur Bestimmung von Astrozytomvolumina ergab sich nur eine Überlappung von 55% zwischen CT- und
MRI-Volumenbestimmung.
MRS
Mittels Magnet-Resonanz-Spektroskopie lassen sich auch funktionelle und metabolische Prozesse ortsaufgelöst
darstellen. Z.B. sind durch Carbogenatmung funktionierende Areale der Lungen abgrenzbar und somit als
Risikobereiche für die Bestrahlungsplanung erkennbar. Über Eigenschaften des Hämoglobin - oxygeniertes Hb
ist dia- desoxygeniertes Hb ist paramagnetisch – lassen sich hypoxische Gebiete darstellen. Der
Diffusionskontrast von freiem, paramagnetischem Sauerstoff im Blut lässt Metastasen erkennen. Erhöhung der
Sensibilität und Selektivität verschiedener Verfahren sind Gegenstand der Forschung.
PET
Die Positronen-Emissions-Tomografie gewinnt zur Zielvolumendefinition zunehmend an Bedeutung. Zur
besseren Transmissionskorrektur und anatomischen Orientierung setzen sich PET-CT Geräte klinisch durch. Ein
Überblick über die therapeutische Relevanz von Anreicherungen bestimmter PET-Tracer wird z.B. von Nestle
[3] gegeben. Eine große Anzahl von Tracern wird sowohl an Tieren als auch klinisch untersucht (z.B. 11CCholin, 64Cu-ATSM, 68Ga-DOTATOC, FMISO …).
Bisher für die Bestrahlungsplanung relevant zeigt sich die FDG-PET von nichtkleinzelligen
Bronchialkarzinomen. Atelektase und Tumor lassen sich unterscheiden. Befallene mediastinale Lymphknoten
werden besser als im CT erkannt. Auf die prophylaktische Bestrahlung mediastinaler Lymphknotenregionen
kann im umgekehrten Fall eventuell zu Gunsten einer höheren Dosis des Primärtumors verzichtet werden. Eine
Verbesserung für die Patienten muss jedoch noch in klinischen Studien nachgewiesen werden.
Diskussion
Die Zielvolumendefinition beruht bisher vor allem auf der strahlentherapeutischen Erfahrung. Das Wissen der
anatomischen Verhältnisse, der Lymphabflusswege, der Häufigkeit und Lage von Rezidiven und von
Nebenwirkungen, bestimmen Volumen und Dosis individuell für jeden Patienten. 3D-Bildgebung mit CT und
MRI trug wesentlich zur Verbesserung der Zielvolumenbestimmung bei. Trotzdem existiert eine hohe InterObserver-Variabilität. Es besteht jedoch die begründete Hoffnung, dass mit Hilfe funktioneller Daten die
Probleme abgemildert werden. Eine einfache „seek and treat“ Lösung ist jedoch nicht in Sicht.
Literatur
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
P M Evans, Anatomical imaging for radiotherapy. Phys. Med. Biol. 53 (2008) R151–R191
Weiss E, Richter S, Krauss T, Metzelthin S I, Hille A, Pradier O, Siekmeyer B, Vorwerk H and Hess C F,
2003 Conformal radiotherapy planning of cervix carcinoma: differences in the delineation of the clinical
target volume. A comparison between gynaecologic and radiation oncologists Radiother. Oncol. 67 87–95
Nestle U, Kremp S, Grosu A., Practical integration of [(18)F]-FDG-PETand PET-CT in the planning of
radiotherapy for non-small cell lung cancer (NSCLC): The technical basis, ICRU-target volumes,
problems, perspectives. Radiother Oncol 2006; 81: 209–225
Kalender W A, 2006 X-ray computed tomography. Phys. Med. Biol. 51 R29–43
E. Löffler, O. Sauer, K. Baier, CT in der Strahlentherapie. Fortschr. Röntgenstr. 143, 6 (1985) 685
Ahnesjö A, Aspradakis M M, 1999 Dose calculations for external photon beams in radiotherapy. Phys.
Med.Biol.44 R99–155
van Herk M, 2004 Errors and margins in radiotherapy Semin. Radiat. Oncol. 14 52–64
Bal M, Spies L, 2006 Metal artifact reduction in CT using tissue-class modeling and adaptive prefiltering.
Med. Phys. 33 2852–9
Miles K A, Griffiths M R, 2003 Perfusion CT: a worthwhile enhancement? Br. J. Radiol. 76 220–31
Payne G S, Leach MO, 2006 Applications of magnetic resonance spectroscopy in radiotherapy treatment
planning. Br. J. Radiol. 79 S16–26
Tanner S F, Finnigan D J, Khoo V S, Mayles P, Dearnaley D P and Leach M O 2000 Radiotherapy
planning of the pelvis using distortion corrected MR images: the removal of system distortions Phys.
Med. Biol. 45 2117–32
Khoo V S and Joon D L, 2006 New developments in mill for target volume delineation in radiotherapy
Br. J.Radiol. 79 S2–15