Optimierung der Behandlungsplanung für die Protonentherapie
Gantry 2 Facility, Gerät zur Bestrahlung und Positionierung des Patienten
Die Studierenden untersuchen methodische und algorithmische Optionen zur Automatisierung der Behandlungsplanung.
Das Hauptziel ist es, die vorgegebene Strahlungsintensität im Tumor zu erreichen
und die Strahlenbelastung für den Patienten auf lebenswichtige Regionen außerhalb des Tumors zu reduzieren
und gleichzeitig die erforderliche Behandlungsqualität zu erhalten.
Dies kann durch eine optimale Wahl der Intensität und der Anzahl der applizierten Pencil-Beams erreicht werden.
Ausgewählte Methoden sollten für weitere Planungskriterien wie alternative Strahlenanordnungen oder Bestrahlungswinkel erweiterbar sein.
Dieses Projekt ermöglicht es den Studenten, einen entscheidenden Beitrag zur Verbesserung der Behandlungsqualität,
des Patientenkomforts und der Kosteneffizienz von Protonentherapiebehandlungen zu leisten.
Die am PSI entwickelte Protonentherapie ermöglicht bösartige Tumore, die tief im Körperinneren liegen, mit extrem hoher Präzision zu bestrahlen.
Mit dieser Therapie wird die Strahlendosis dem Tumor durch die sukzessive Applikation zahlreicher kleiner Protonen-Strahlen zugefügt.
Die sogenannte Behandlungsplanung zielt darauf ab, die optimalen Intensitäten und Anordnung aller Pencil-Beams zu finden,
um die erforderliche Behandlungsqualität für jeden Patienten zu erfüllen.
Aktuell muss die automatisch berechnete Behandlungsplanung noch manuell nachbearbeitet werden, damit schützenswerte Organe ausserhalb des Tumors geschützt werden.
Das Ergebnis unserer Arbeit ist ein Prototyp, der mögliche Optimierungen an der bestehenden Software zur Behandlungsplanung implementiert.
Als Input dient ein XML-File, das alle möglichen Dosen enthält, welche das Bestrahlungsgerät erzeugen kann.
Daraus werden die nötigen Dosen, deren Anzahl Monitorunits (zeigt an, wie lange eine Dosis angewendet wird), sowie die Einstrahlwinkel berechnet.
Zusätzlich werden Strukturen definiert, für die verschiedene Vorgaben an die zu erhaltende Dosis gemacht werden können.
Einerseits wird das Zielvolumen angegeben, dies ist der zu bestrahlende Tumor. Daneben gibt es diverse Organs at Risk (OARs), die möglichst keine,
oder nur bis zu einer bestimmten Intensität Dosis erhalten sollen. Für jede Struktur können diese Vorgaben separat definiert werden.
Für OARs kann zusätzlich ein Dose-Volume-Histogram Objetcive festgelegt werden. So kann beispielsweise als Vorgabe gesetzt werden,
dass im OAR maximal 5 Prozent des Volumens eine Dosis über einem bestimmten Wert erhalten dürfen.
Berechnete Bestrahlung mit Target und 4 OARs
Das vorhergehende Bild zeigt eine berechnete Behandlungsgplanung. In diesem Beispiel sind ein Zielvolumen (Grün) sowie 4 OARs (farbig) definiert.
Die Vorgabe ist, dass im Zielvolumen ein Wert von 20 Gray (Gy) erreicht werden soll. Diese Vorgabe soll maximiert werden.
Die Dosis für ausserhalb des Zielvolumens soll möglichst minimiert werden. Für die OARs ist zusätzlich festgelegt,
dass innerhalb diesen nur maximal 25% eine Dosis von mehr als 5 Gy erhalten dürfen.
Mit diesen Vorgaben errechnet Gurobi die Kombination der nötigen Dosen sowie deren Bestrahlungsdauer und Einstrahlwinkel.
In der Grafik ist gut ersichtlich, dass die Dosis im Zielvolumen mehrheitlich um die 20 Gy erreicht wird und sehr homogen verteilt ist.
Zusätzlich bleibt die Dosis in den OARs wie vorgegeben sehr gering.
Durch diesen Prototyp kann die bereits vorhandene Software zur Behandlungsplanung erweitert werden,
wodurch die Planung genauer wird und weniger manuelle Nachbearbeitung nötig ist.
Paul Scherrer Institut PSI, Zentrum für Protonentherapie, Medical Software
Paul Scherrer Institut
Zentrum für Protonentherapie
5232 Villigen PSI West, Schweiz
Eingang PSI West
Prof. Dr. Michael Graber michael.graber@fhnw.ch
