Translation der Dual-Energy Computertomographie (DECT) für die Reichweiten-Vorhersage in der Partikeltherapie

Projektleiter
Dr. rer. medic. Christian Richter (OncoRay/HZDR, Dresden), christian.richter[at]oncoray.de, Phone: +49-351-458-6536
Dr. rer. nat. Steffen Greilich (DKFZ, HIRO), s.greilich[at]dkfz.de, Phone: +49-6221-42-2632

Gefördert seit: Oktober 2014

Ziele
Das Ziel dieses 2014 initiierten NCRO-Joint-Funding-Projektes ist die Untersuchung des potentiellen Vorteils der Dual-Energy-Computertomographie (DECT) für die Partikeltherapie, im speziellen für die Vorhersage der Protonenreichweite, und die anschließende Translation der Ergebnisse in die klinische Routine.
Derzeit ist die Möglichkeit der Strahlentherapie mit Protonen und schweren Ionen eine exzellente Zielvolumen-Abdeckung  bei maximaler Schonung von Normalgewebe zu gewährleisten durch Unsicherheiten in der Vorhersage der Partikelreichweite mittels Röntgen-Computertomographie (CT), also anhand der Photonen-Abschwächung, stark beeinträchtigt. Derzeitiger Standard ist es, eine empirische Beziehung zwischen CT-Zahlen eines Single-Energy-CT-Scans und Partikelreichweiten, bestimmt durch das sogenannte ‚Stopping-Power Ratio‘ (SPR), zu verwenden. Diese Umrechnung führt zu Mehrdeutigkeiten und systematischen Abweichungen. Noch wichtiger: Die Diversität und Variabilität menschlicher Gewebe kann damit nicht ausreichend erfasst werden. Im Projekt galt es die Hypothese zu prüfen, ob CT-Scanner, mit denen zwei Scans mit verschiedenen Röntgen-Spektren aufgenommen werden können, eine präzisiere Reichweitevorhersage möglich ist.
Innerhalb dieses Projektes konnten wir zeigen, dass eine patientenspezifische, DECT-basierte Reichweiten-Vorhersage in der Lage ist, (1.) die Unsicherheit der Reichweiten-Vorhersage signifikant zu reduzieren, (2.) die Diversität und Variabilität von Geweben zu berücksichtigen  und (3.) sicher in den klinischen Arbeitsablauf implementiert werden kann.

Wichtige Meilensteine:

• Bereitstellung eines stringenten Konzeptes für die mathematische und physikalische richtige Extraktion der Elektronendichte und des Bremsvermögens  aus der DECT-Information.
• Entwicklung eines DECT-basierten Reichweiten-Vorhersage-Algorithmus, der Gewebemischungen richtig behandelt und Kalibrierungsunsicherheiten minimiert.
• Umfangreiche Validierung der DECT-basierten Reichweiten-Vorhersage in realistischen, anthropomorphen Geometrien und in biologischen Geweben mit Hochpräzisions-Messungen.
• Implementierung von DECT-Scans in die alltägliche Bestrahlungsplanung seit 2015.
• Untersuchung der Gewebe-Variabilität innerhalb eines und zwischen verschiedenen Patienten in der CT-zu-SPR Konvertierung, und damit Aufzeigen des Potentials der patienten-individuellen DECT basierten Reichweiten-Vorhersage.
• Untersuchung der Abweichung der derzeitigen Reichweiten-Vorhersage von der DECT-basierten Reichweiten-Vorhersage für eine große Patientenkohorte.
• Anpassung der konventionellen CT-zu-SPR Konvertierung mit Informationen aus der Kohorten-Analyse der DECT-basierten Reichweiten-Vorhersage.
• Evaluierung der Berechnung von virtuell-nativen CT-Datensätzen aus Kontrastmittel-verstärkten DECT-Scans.

Referenzen:
- Wohlfahrt P, Möhler C, Stützer K, Greilich S, Richter C. Dual-energy CT based proton range prediction in head and pelvic tumor patients. Radiother Oncol 125:526-533, 2017.
- Wohlfahrt P, Möhler C, Richter C, Greilich S. Evaluation of stopping-power prediction by dual- and single-energy computed tomography in an anthropomorphic ground-truth phantom. IJROBP 100:244-253, 2018.
- Möhler C, Wohlfahrt P, Richter C, Greilich S. Methodological accuracy of image-based electron-density assessment using dual-energy computed tomography. Medical Physics 44:2429-2437, 2017.
- Wohlfahrt P, Möhler C, Greilich S, Richter C. Comment on "Dosimetric comparison of stopping power calibration with dual-energy CT and single-energy CT in proton therapy treatment planning". Medical Physics 44:5533-5536, 2017.
- Wohlfahrt P, Möhler C, Hietschold V, Menkel S, Greilich S, Krause M, Baumann M, Enghardt W, Richter C. Clinical implementation of dual-energy CT for proton treatment planning on pseudo-monoenergetic CT scans. IJROBP 97:427-434, 2017.
- Möhler C, Wohlfahrt P, Richter C, Greilich S. Range prediction for tissue mixtures based on dual-energy CT. PMB 61:N268-N275, 2016.