SlideShare a Scribd company logo
Podstawy planowania leczenia
                  w radioterapii




       Część I: Tworzenie wirtualnego pacjenta

                         Tomasz Piotrowski1,2
1 Zakład Elektroradiologii, Wydz Nauk o Zdrowiu, Akademia Medyczna, Poznań
     2 Zakład Fizyki Medycznej, Wielkopolskie Centrum Onkologii, Poznań
Radioterapia (Teleterapia)
1. Napromienianie zewnętrznymi źródłami promieniowania jonizującego
   (akceleratory medyczne, bomby kobaltowe, …).
2. W zależności od zaawansowania choroby oraz stanu ogólnego pacjenta
   radioterapię dzieli się na radykalną oraz paliatywną.

  Radioterapia paliatywna
  Cel: zmniejszenie bólu i polepszenie czynności
  życiowych pacjenta.
  Zastosowanie: bardzo zaawansowane procesy
  chorobowe np. napromienianie przerzutów
  do kości lub narządów wewnętrznych.

  Radioterapia radykalna
  Cel: wyleczenie pacjenta
  Zastosowanie: mniejszy stopień zaawansowania
  choroby (bez przerzutów odległych).
  Podział: konformalna, nie konformalna.
Radioterapia radykalna
Terapia konformalna
Zastosowanie: pacjenci, dla których konieczne jest wykorzystanie
dodatkowych akcesoriów modyfikujących rozkład dawki w celu jej
jednorodnego rozkładu w obszarach:
1. Napromienianej zmiany nowotworowej.
   (obszary napromieniania: PTV, CTV, GTV)
2. Ochrony narządów i struktur zdrowych znajdujących się w pobliżu guza.
   (narządy krytyczne, OAR – organ at risk)
Warunki konieczne (dodatkowe):
1. Wykonanie przekrojów poprzecznych pacjenta (skanów) na tomografie
   komputerowym (konieczność), MR (opcja), PET (opcja).
2. Wizualizacja obszaru napromieniania i narządów krytycznych oraz
   umożliwienie opracowania planu leczenia na komputerowych systemach
   planowania leczenia (TPS - treatment planning system)
Przykłady radioterapii konformalnej (koplanarnej i niekoplanarnarnej):
  3DCRT, IMRT, IGRT, Cone Beam (adaptative) radiotherapy, radioterapia
  stereotaktyczna
Radioterapia radykalna
Terapia nie konformalna
Zastosowanie: nieskomplikowane lokalizacje zmiany
nowotworowej, dla których proces przygotowania do
radioterapii nie wymaga dużej ilości skanów (dokładna
wizualizacja obszaru napromieniania i OAR) na TPS
i opiera się głównie na wyznaczeniu pól terapeutycznych
przez lekarza na symulatorze RTG.


We wszystkich przypadkach radioterapii radykalnej konieczne jest precyzyjne
unieruchomienie pacjenta w celu zapewnienia jak największej odtwarzalności
leczenia.
Przykłady akcesoriów unieruchamiających:
Etapy przygotowania do RT radykalnej

                                    PACJENT



                                 Gabinet lekarski




          Pracownia modelarni



                            Pracownia TK + MRI / PET



          Pracownia modelarni



                                 Symulator RTG



                          Pracownia planowania leczenia




                                                          Aparat terapeutyczny
Gabinet lekarski
1. Kwalifikacja pacjenta
2. Wybór metody leczenia (radykalna, nieradykalna) uwarunkowany lokalizacją
   oraz rodzajem nowotworu.
   Podstawowe lokalizacje zmiany nowotworowej:
   a/ obszar mózgowia, b/ obszar głowy i szyi, c/ płuca, d/ klatka piersiowa,
   e/ miednica mniejsza, f/ inne.
3. Opracowanie strategii terapeutycznej:
   a/ sposób unieruchomienia, b/ decyzje dotyczące sposobu frakcjonowania
   dawki, geometrii napromieniania oraz przebiegu leczenia
   (wybrane schematy frakcjonowania, geometria napromieniania, metody
   dystrybucji dawki: Część II wykładu)
W radioterapii obowiązuje zasada wyboru takiego sposobu frakcjonacji dawki
promieniowania, który stwarza dla indywidualnego chorego największą
szansę miejscowego wyleczenia guza nowotworowego i równocześnie wiąże
się z najniższym ryzykiem odczynu popromiennego tkanek zdrowych. Zarówno
szansa miejscowego wyleczenia guza jak i ryzyko powikłań popromiennych są
szacowane na podstawie badań klinicznych i zależą od szeregu czynników
biologicznych guza i zdrowych tkanek oraz od fizycznych i technicznych
parametrów frakcjonowanego napromieniania.
Kwantyfikacja obszaru napromieniania
1. GTV (gross tumor volume):
obszar litego guza określonego w trakcie badań diagnostycznych
2. CTV (clinical target volume):
obszar litego guza powiększony o objętość subklinicznego rozsiewu guza
nowotworowego.
Obszar subkliniczny rozsiewu:
 - nie można stwierdzić istnienia
   litego guza,
 - prawdopodobieństwo występowania
   pojedynczych komórek zmienionych
   nowotworowo jest bardzo wysokie.
3. PTV (planning target volume):
planowany obszar napromieniania
w którym należy zawrzeć:
- GTV + CTV lub sam CTV w przypadku braku GTV
- obszar ruchomości własnej (miomowolnej) CTV: IM (internal margin)
- dodatkowy obszar uwzględniający potencjalny błąd ułożenia pacjenta na
  aparacie – SM (setup margin) (określanie, weryfikacja oraz dopuszczalne
  wartości IM, SM: Część III wykładu)
Narządy krytyczne
1. Podział na cztery podstawowe grupy:
  a/ narządy szeregowe proste (np. rdzeń kręgowy)
  b/ narządy równoległe proste (np. płuca)
  c/ narządy o hierarchii podzespołowej - szeregowo-równoległe (np. serce)
  d/ struktury mieszane (np. nefron)
Dwie strony medalu: TCP i NTCP
1. TCP (tumor control probability) – zależność prawdopodobieństwa wyleczenia
    od wartości i sposobu (frakcjonowanie) podania dawki promieniowania
    jonizującego.
Szereg modeli radiobiologicznych spośród których należy wymienić:
- model oparty na rozkładzie Poissona, Munro & Gilbert [6], „podwaliny” modelu
liniowo-kwadratowego opisującego zależność „dawka-odpowiedź”
                          TCP = exp[-Noexp(-αD-βDd)]

- model logistyczny, model analityczno-matematyczny,
brak prostej interpretacji radiobiologicznej
         TCP = exp(u)/[1+exp(u)]
         u=a0+a1D+a2Dd+….

2. NTCP (normal tissue complication probability)
   prawdopodobieństwo powikłań w tkankach
   zdrowych.
Modele opisujące narządy:
- szeregowe
- równoległe
Źródło podstawowych informacji o anatomii
pacjenta, wykorzystywanych w planowaniu RT
1. Tomografia komputerowa (CT)
  podstawowa metoda wizualizacji anatomii pacjenta, wykorzystywana w
  procesie komputerowego planowania leczenia (TPS) w radioterapii.
  Podstawowy argument:
  ścisła zależność pomiędzy wartościami skali szarości [HU] i gęstościami
  (dla pikseli „czystych” skanów CT bez kontrastu) - uwzględniana w trakcie
  obliczeń dawek.
                                      Niedoskonałości metody:
                                      - niezadowalająca wizualizacja
                                        struktur anatomicznych o zbliżonych
                                        gęstościach (tkanki miękkie).
                                      - brak informacji o metabolizmie
                                        guza i tkanek zdrowych.
Źródła dodatkowych informacji o anatomii
pacjenta, wykorzystywanych w planowaniu RT
1. Rezonans magnetyczny (NMR)
  szczegółowe informacje o anatomii tkanek miękkich poprzez
  pomiar sygnału NMR jąder wodoru umieszczonych w silnym polu
  magnetycznym, naświetlanych falą elektromagnetyczną o częstości
  odpowiadającej częstości precesji Larmora tych jąder.

2. Tomografie emisyjne (PET, SPECT)
  wizualizacja metabolizmu guza możliwa dzięki pomiarowi lokalnego
  wchłaniania substancji znakowanej radionuklidem (np. tlenu, glukozy,
  aminokwasów) poprzez detekcję produktów rozpadu promieniotwórczego
  (PET: β+, SPECT: γ).

3. Dodatkowe CT z kontrastem
  szczegółowe informacje anatomiczne dotyczące wybranych struktur
  (rozmiary, kształt oraz lokalizacja i orientacja przestrzenna) poprzez badanie
  CT ze środkiem kontrastującym ( uropolina - pęcherz, baryt - odbytnica).
Idea tworzenia obrazów tomograficznych
Wyznaczenie dwuwymiarowego (2D) lub trójwymiarowego (3D)
rozkładu wybranej wielkości fizycznej na podstawie serii
jednowymiarowych (1D) pomiarów
1. Promieniowania X (CT)
   mapa współczynników osłabienia promieniowania X
2. Rezonansu magnetycznego (NMR)
   rozkład np. gęstości lub czasów relaksacji protonów
3. Pozytonowa tomografia emisyjna (PET)
   rozkład aktywności izotopu β+- promieniotwórczego
4. Emisyjna tomografia komp. pojedynczych fotonów (SPECT)
   rozkład aktywności izotopu γ - promieniotwórczego

Rozkłady 2D i 3D – wyznaczone na podstawie algorytmów opartych na
identycznych założeniach
Idea tworzenia obrazów tomograficznych (CT)




1. Układ pomiarowy: lampa rtg + detektor
2. Wiązka promieniowania
   - monoenergetyczna i skolimowana
   - parametry: h (grubość warstwy), w (podstawa)
3. Sekwencja pomiaru CT
   a. pomiar I ->przesunięcie o w (n powtórzeń)
   b. przesunięcie całego układu o kąt φ
   c. powtórzenie procedury (a)
Idea tworzenia obrazów tomograficznych (CT)
1. Liniowy współczynnik osłabienia µ - funkcja 2D w układzie pacjenta (x,y)
3. Układ lampa-detektor: (t,s)
   t = xcosφ + ysinφ
   s = -xsinφ + ycosφ
4. Sekwencja pomiarowa:
   wykonanie n pomiarów dla
   różnych wartości t (krok co w)
   przy ustalonym kącie φ

5. Wartość natężenia I(φ, t) :




                PROJEKCJA µ (transformacja Radona µ)
Idea tworzenia obrazów tomograficznych (CT)
Dyskretna postać funkcji ciągłych:
- projekcji µ: p(φ,t)
- liniowego współczynnika osłabienia: µ(x,y)




Podział obiektu na N = n x n kwadratowych
elementów – pixeli. µ(x,y) stałe w obrębie pixela

                          wjk - współczynnik
                          wagowy dla j-tej projekcji
                          k-tego pixela

Metody rekonstrukcji obrazu tomograficznego:
iteracyjne, wstecznej projekcji, trans. Fouriera
Idea fuzji obrazów tomograficznych
Nałożenie dwóch obrazów
tomograficznych o zbliżonych
koordynatach przestrzennych
przedstawiających ten sam obszar
                                    CT                    MR
Geometria: 2D-2D, 3D-3D, 2D-3D

Podstawowe transformacje:
sztywne proste i złożone,
projekcyjne, krzywoliniowe                  Transformacja
                                   przy użyciu wybranego algorytmu
Działanie algorytmów
wykorzystywanych w procesie
fuzji obrazów: manualne,
automatyczne, pół-automatyczne
                                              FUZJA
Anglojęzyczne określenia fuzji
(nakładania) obrazów:
registration, fusion, matching,
merge, superimposition
Fuzja – metody transformacji
Klasyfikacja metod transformacji według możliwych operacji przeprowadzanych
na nakładanym obrazie:

1. Sztywne proste (rigid)
   - przesunięcia, rotacja
2. Sztywne złożone (affine)
   - przesunięcia, rotacja
   - skalowanie, docinanie
3. Projekcyjne (projective)
   - przesunięcia, rotacja
   - skalowanie, docinanie
   - skalowanie perspektywiczne
4. Krzywoliniowe (curved)
   - krzywoliniowa deformacja
     pikseli obrazu nakładanego
     względem podstawowego
Fuzja – metody transformacji
Przykład – „matematyka transformacji” rigid i affine (rotacja i przesunięcie):




                  yi=aijxj




       Parametry: yi –przed przesunięciem, xi –przed przesunięciem
                  r – rotacja, t – przesunięcie
Fuzja – podstawowe algorytmy matematyczne
Klasyfikacja algorytmów matematycznych na podstawie wykorzystanej metody
transformacji:

1. Transformacje sztywne (rigid, affine):

  - metoda punktów odwzorowań (landmark based);
  - dopasowanie konturów / wybranych
    powierzchni (segmentation based);                       wykorzystywane
  - dopasowanie na podstawie własności                      w radioterapii
    pikseli / wokseli (voxel based);
  - na podstawie DICOM lub manualne.

2. Transformacje krzywoliniowe (curved) i projekcyjne (projective):

  - metody elastycznego dopasowania pikseli / wokseli
  - metody perspektywicznego zniekształcania pikseli / wokseli
Fuzja (algorytmy) – punkty odwzorowań
1. Określenie charakterystycznych punktów na obrazie
   pierwszym (podstawowym – CT) i odwzorowanie ich na
   obrazie drugim (nakładanym – MR, PET, CT + kontrast).

2. Lokalizacja punktów odwzorowań:
   - zewnętrzne (extrinsic) – markery / uchwyty
     unieruchamiające zlokalizowane poza ciałem pacjenta,
   - wewnętrzne (intrinsic) – charakterystyczne struktury
     anatomiczne ciała pacjenta.

3. Automatyczne dopasowanie obrazów (przesunięcie, rotacja,
   skalowanie) na podstawie punktów (superpozycja).

4. Automatyczne (komputerowe, na podstawie analizy
   numerycznej) określenie maksymalnej i średniej różnicy
   przesunięcia i rotacji punktów względem siebie.

5. Akceptacja lub korekcja (zmiana lokalizacji pkt) fuzji obrazów.
Fuzja (algorytmy) – dopasowanie konturów
1. Komputerowa filtracja (wyodrębnienie):
   - krawędzi – granica pomiędzy dwoma strukturami
     różniącymi się znacząco gęstościami np.
     kość - tkanka miękka, tkanka miękka - powietrze),
   - wybranych struktur anatomicznych (np. kości).
2. Automatyczne dopasowanie wyodrębnionych
   struktur/krawędzi (przesunięcie, rotacja, skalowanie).
3. Podstawowe metody numeryczne:
   - algorytm „Head and Hat” – wyszukuje najbardziej optymalną metodę
     dopasowania, do obrazu podstawowego (Head), obrazu nakładanego (Hat).
     Metoda działania podobna do punktów odwzorowań jednak liczba
     porównywanych punktów w obszarze struktur/krawędzi (ustalonych w
     trakcie próbkowania jest zdecydowanie większa)
   - algorytm ICP (Iterative closest point) – dopasowanie iteracyjne odbywające
     się na podstawie porównania parametrów najbliższych punktów na
     obrazach podstawowym i nakładanym do momentu uzyskania najlepszej
     zgodności pomiędzy obrazami.
Fuzja (algorytmy) – dopasowanie piksel/woksel
1. Porównanie wartości skali szarości zawartej w każdym wokselu / pikselu w
   celu jak najlepszego dopasowania obrazu nakładanego do podstawowego.
2. Najczęściej wykorzystywane metody numeryczne – metody korelacyjne
Fuzja (algorytmy) – DICOM, manualne
1. Korzystanie z informacji
   zawartych w pliku DICOM tj:
   - lokalizacja i orientacja
     przestrzenna,
   - rozmiar okna (wielkość
     wizualizowanego obszaru np.
     512x512 pikseli)
   - rozmiar piksela / woksela
     (informacje o skali).

2. Nie uwzględnianie informacji
   dotyczących kształtu, struktur
   anatomicznych, skali szarości.

3. Możliwość manualnej korekcji
   pliku wynikowego (przesunięcie,
   rotacja)
SKANER PET-CT
(Metoda fuzji - DICOM)
Fuzja – metody optymalizacji
Większość specjalistycznych programów wykorzystywanych w procesie fuzji
obrazów wyposażona jest w dodatkowe metody optymalizujące automatyczny
bądź pół automatyczny proces nakładania obrazów.

Podstawowymi przesłankami stosowania dodatkowych procedur
optymalizacyjnych są:
       - skrócenie czasu obliczeń numerycznych,
       - korekcja pliku wynikowego fuzji zwiększająca dopasowanie obrazów.

Najczęściej stosowanymi procedurami optymalizacyjnymi są:
       - metoda Powella,
       - metoda Downhill Simplex,
       - metoda Brendta,
       - metoda Levenberga-Marquardta,
       - iteracja Newtona-Raphsona
       - metoda wyszukiwania stochastycznego.
Fuzja – sposoby prezentacji obrazów




metoda „szachownicy” lub podziału    przezroczystość obrazu nakładanego




 koloryzacja obrazu nakładanego     metoda „spy glass” (przezroczystej lupy)
Symulacja leczenia
WSTĘPNA SYMULACJA:

1/ zlokalizowanie i określenie rozmiarów obszaru napromieniania oraz
narządów krytycznych
2/ określenie wstępnej geometrii promieniowania (ilość, wielkość, kształt i
pozycja pól terapeutycznych),

SYMULACJA WERYFIKACYJNA (Szczegółowy opis – Część III wykładu):

1/ weryfikacja zaprojektowanego na TPS planu leczenia
2/ wykonanie tatuażu na skórze pacjenta (masce) dla każdego z pól w celu
późniejszej odtwarzalności na aparacie terapeutycznym,
3/ wykonanie zdjęć rtg w celu późniejszego porównania ich z komputerowymi
rekonstrukcjami wykonanymi na TPS (DRR, digital reconstructed radiograph)
oraz ze zdjęciami wykonanymi na aparacie terapeutycznym.

Wyróżnia się dwie metody symulacji – klasyczną oraz wirtualną
Symulacja leczenia
SYMULACJA KLASYCZNA:

1/ symulator RTG:
- Aparat wyposażony w lampę rentgenowską oraz układ detektorów
rejestrujących różnice osłabienia promieniowania rentgenowskiego
przenikającego przez ciało pacjenta.
- Umożliwia odwzorowanie wszystkich możliwych ustawień geometrii
promieniowania aparatu terapeutycznego – począwszy od obrotu głowicy,
poprzez obrót kolimatora do zmiany rozmiaru pól i odległości pomiędzy źródłem
promieniowania a pacjentem (SSD, skin source distance).
- Pacjent układany jest na stole symulacyjnym będący odpowiednikiem stołu
terapeutycznego.
- Przed wykonaniem zdjęcia symulacyjnego weryfikuje się ułożenie pacjenta za
pomocą symulacji świetlnej odwzorowującej kształt pola na skórze, weryfikując
odległość SSD oraz położenie pacjenta w stosunku do punktu przecięcia się
trzech prostopadłych do siebie wiązek laserowych (odległość od źródła do tego
punktu jest zawsze równa jednej określonej wartości, punkt ten określamy
mianem izocentrum).
Symulacja leczenia
SYMULACJA WIRTUALNA:

1/ Pracownia TK.
- Odbywa się ona na zrekonstruowanym przez komputer (na podstawie skanów
TK) trójwymiarowym obszarze ciała pacjenta (3D).
- W zrekonstruowanym obszarze 3D określa się obszar napromieniania oraz
narządy krytyczne.
- W celu lepszego zobrazowania wybranych struktur możliwe jest zastosowanie
filtrów graficznych. Podstawowymi filtrami stosowanymi w VS są: 1/ filtr dla
tkanki kostnej, 2/ powietrza, 3/ tkanek miękkich oraz 4/ filtr mieszany.
- Następnie, dobiera się geometrię oraz ilość planowanych pól
terapeutycznych.
- Dla każdego z pól możliwe jest utworzenie obrazu DRR.
- Dane dotyczące pól wysyłane są do systemu laserów odwzorowujących ich
kształt na skórze pacjenta.
Obrysowywanie obszaru napromieniania i OAR
 „Czysty” skan TK jest interpretowany przez TPS jako zwykłe zdjęcie, czyli zbiór
pikseli. Podobnie interpretowana jest rekonstrukcja 3D – jako zbiór voxeli.
Dlatego też należy określić powierzchnię na skanie bądź obszar rekonstrukcji
3D, w którym kalkulowany będzie rozkład dawki promieniowania. Obszarem
takim jest ciało pacjenta.
                                              [2,2,2]   [1,2,2]

Po określeniu obszaru
kalkulacji dawki należy określić   [2,2,1]    [2,1,2]
                                             [1,2,1]    [1,1,2]
                                                                  Skan 2
w nim obszar napromieniania
                                   [2,1,1]   [1,1,1]
oraz OAR.                                               Skan 1

Najczęstszymi narządami / strukturami krytycznymi są:
1/ dla obszaru mózgowia – skrzyżowanie nerwów wzrokowych, gałki oczne lub/i
soczewki oczu, pień mózgu, zdrowa część mózgu; 2/ dla obszaru głowy i szyi –
rdzeń kręgowy, pień mózgu lub/i podstawa czaszki, gałki oczne lub/i soczewki
oczu, ślinianka przyuszna, staw skroniowo-żuchwowy, krtań, skóra; 3/ dla płuc
– płuca, serce, rdzeń kręgowy; 4/ dla obszaru klatki piersiowej – płuca, skóra;
5/ dla obszaru miednicy/brzucha – odbytnica, pęcherz, głowa kości udowej,
jelita, nerki, wątroba, rdzeń kręgowy, śledziona.

Każdy z wymienionych narządów może być w przypadku zajęcia przez komórki
nowotworowe także obszarem napromieniania.
Metody obrysowywania
1/ Ręczna - obrysowywanie „od punktu do punktu” bądź metodą free hand
(znane w większości programów do grafiki wektorowej).
2/ Pół automatyczna - w celu rozpoczęcia obrysowywania pół automatycznego
definiuje się jeden punkt (piksel) znajdujący się na wybranym skanie, poza
ciałem chorego (w przypadku obrysowywania ciała) bądź wewnątrz wybranej
struktury (w przypadku obrysowywania narządów / struktur wewnętrznych).
Algorytm odpowiedzialny za obrysowywanie rozpoczyna przeszukiwanie w linii
poziomej, pixeli różniących się
znacząco pomiędzy sobą wartością        wyszukiwanie dwóch pixeli różniących
                                            się pomiędzy sobą wartością

zaczernienia mierzonej w [jH].                     zaczernienia



W przypadku znalezienia dwóch
takich pikseli rozpoczyna się
proces obrysowywania, który
kontynuowany jest do momentu            początkowy
                                        pixel                                  rozpoczęcie
zamknięcia się konturu bądź                                                    konturowania


zdefiniowania przez użytkownika kolejnego punktu.
3/ Automatyczna („selekcji podobnych pixeli”) - opiera się na predefiniowalnych
wartościach zaczernienia poszczególnych narządów wyrażonej w [jH]. Na
przykład chcąc zobrazować tkankę kostną zbitą określamy zakres wartości
zaczernienia od +800 jH do +1000 jH. Algorytm odpowiedzialny za selekcję
przeszukuje wszystkie pixele wybierając te, które spełniają powyższy warunek.
Przykłady utworzonych obrysów
Literatura uzupełniająca
1. Piotrowski T, Skrobała A, Jodda A, Malicki J. Wybrane zagadnienia dotyczące
planowania leczenia w radioterapii. Skrypt dla studentów.

2. Ekberg L, Holmberg O, Wittgren L, Bjelkengren G, Landberg T. What margins should
be added to the Clinical Target Volume in radiotherapy treatment planning for lung
cancer?, Radiat.Oncol. 1998, 48, 71- 77.

3. Källman P, Agren A, Brahme A. Tumor and normal tissue responses to fractionated
non uniform dose delivery, Int.J.Radiat.Oncol.Biol.Phys. 1992, 62, 249-262.

4. Leunens G, Menten J, Weltens C, Verstraete J, Vanderschueren E. Quality
assessment of medical decision making in radiation oncology: variability in target volume
delineation for brain tumors, Radiother.Oncol. 1993, 29, 169-175.

5. Withers HR, Taylor JMG, Maciejewski B. Treatment volume and tissue tolerance,
Int.J.Radiat.Oncol.Biol.Phys.1988, 59, 751-759

6. Munro TR, Gilbert CW. The relation between tumour lethal doses and the
radiosensitivity of tumour cells. Br J Radiol 1961, 34, 246-51
Literatura uzupełniająca
7. Steel GG. Basic Clinical Radiobiology. Arnold, London 1997

8. Swayne LC, Kaplan IL. Image Fusion in Medicine: An Overview using the CT-SPECT
Model. J Nucl Med 1989;17:31-35

9. M. van Herk and H. M. Kooy, Automatic three-dimensional correlation of CT-CT, CT-
MRI, and CT-SPECT using chamfer matching, Med. Phys. 21, 1163–1178 (1994)

10. J. B. Maintz and M. A. Viergever, "A survey of medical image registration," Med.
Image Anal, 2, 1–36 (1998).

11. J. G. Rosenman, E. P. Miller, G. Tracton, and T. J. Cullip, Image registration: an
essential part of radiation therapy treatment planning, Int. J. Radiat. Oncol., Biol., Phys.
40, 197–205 (1998).

12. Pruszyński B, Diagnostyka obrazowa, podstawy teoretyczne i metodyka badań,
PZWL, Warszawa 2000

13. Khan FM, Potish RA. Treatment Planning in Radiation Oncology. Lippincott
Williams&Wilkins, New York 1998
Ćwiczenia do części I wykładu
Podział na trzy grupy
Pacjent - fantom anatomiczny RANDO Alderson
Modelarnia, Tomograf Komputerowy, System Planowania Leczenia



Ćw 1. Zapoznanie się z akcesoriami unieruchamiającymi, wykonanie maski
      unieruchamiającej - obszar głowy i szyi (45 min)
      Przygotowanie skanów TK pacjenta: a/ Obszar głowy i szyi, b/ Obszar
      płuc, c/ Obszar miednicy (30 min)

Ćw 2. Fuzja obrazów: a/ metody punktów odwzorowań, dopasowania pikseli –
      TPS Eclipse, b/ dopasowanie konturów – TPS BrainLab (75 min)

Ćw 3. Tworzenie bryły 3D na podstawie skanów komputerowych (15 min)
      Obrysowywanie OAR i obszaru napromieniania (60 min)

More Related Content

What's hot

Tomotherapy
TomotherapyTomotherapy
Tomotherapy
Robert J Miller MD
 
image guided brachytherapy carcinoma cervix
image guided brachytherapy carcinoma cerviximage guided brachytherapy carcinoma cervix
image guided brachytherapy carcinoma cervix
Isha Jaiswal
 
Intensity modulated radiation therapy and Image guided radiation therapy
Intensity modulated radiation therapy and Image guided radiation therapy Intensity modulated radiation therapy and Image guided radiation therapy
Intensity modulated radiation therapy and Image guided radiation therapy
Ravindra Shende
 
Final ICRU 62 ( International commission on radiation units and measurements)
Final ICRU 62 ( International commission on radiation units and measurements)Final ICRU 62 ( International commission on radiation units and measurements)
Final ICRU 62 ( International commission on radiation units and measurements)
DrAyush Garg
 
Stereotactic body radiotherapy
Stereotactic body radiotherapyStereotactic body radiotherapy
Stereotactic body radiotherapy
Nanditha Nukala
 
Palliation brain, spinal and bone mets
Palliation brain, spinal and bone metsPalliation brain, spinal and bone mets
Palliation brain, spinal and bone mets
DrAyush Garg
 
Hst motion inradiotherapy
Hst motion inradiotherapyHst motion inradiotherapy
Hst motion inradiotherapy
Srinivasan Annamalai
 
Step-by-Step Stereotactic Radiotherapy Planning of Vestibular Schwannoma: A G...
Step-by-Step Stereotactic Radiotherapy Planning of Vestibular Schwannoma: A G...Step-by-Step Stereotactic Radiotherapy Planning of Vestibular Schwannoma: A G...
Step-by-Step Stereotactic Radiotherapy Planning of Vestibular Schwannoma: A G...
Kanhu Charan
 
Lung sbrt ppt
Lung  sbrt pptLung  sbrt ppt
Lung sbrt ppt
Dr. Rituparna Biswas
 
DEBATE ON HIPPOCAMPAL SPARING IN WHOLE BRAIN RADIATION IN BRAIN METS
DEBATE ON HIPPOCAMPAL SPARING IN WHOLE BRAIN RADIATION IN BRAIN METSDEBATE ON HIPPOCAMPAL SPARING IN WHOLE BRAIN RADIATION IN BRAIN METS
DEBATE ON HIPPOCAMPAL SPARING IN WHOLE BRAIN RADIATION IN BRAIN METS
Kanhu Charan
 
Medulloblatoma - Field Matching In RT Planning - CSI
Medulloblatoma - Field Matching In RT Planning - CSIMedulloblatoma - Field Matching In RT Planning - CSI
Medulloblatoma - Field Matching In RT Planning - CSI
Subhash Thakur
 
SBRT in lung cancer
SBRT in lung cancerSBRT in lung cancer
SBRT in lung cancer
Bharti Devnani
 
ICRU 83 report on dose prescription in IMRT
ICRU 83 report on dose prescription in IMRTICRU 83 report on dose prescription in IMRT
ICRU 83 report on dose prescription in IMRT
Anagha pachat
 
Total body irradiation
Total body irradiationTotal body irradiation
Total body irradiation
Kiran Ramakrishna
 
Hemi body irradiation
Hemi body irradiationHemi body irradiation
Hemi body irradiation
Nilesh Kucha
 
Total Body Irradiation (TBI) Planning
Total Body Irradiation (TBI) PlanningTotal Body Irradiation (TBI) Planning
Total Body Irradiation (TBI) Planning
Subhash Thakur
 
Motion Management in Radiation Therapy
Motion Management in Radiation TherapyMotion Management in Radiation Therapy
Motion Management in Radiation Therapy
Teekendra Singh Faujdar
 
External Beam Radiotherapy for Hepatocellular carcinoma
External Beam Radiotherapy for Hepatocellular carcinomaExternal Beam Radiotherapy for Hepatocellular carcinoma
External Beam Radiotherapy for Hepatocellular carcinoma
Bala Vellayappan
 
planning systems in radiotherapy
 planning systems in radiotherapy planning systems in radiotherapy
planning systems in radiotherapy
fondas vakalis
 
Cyberknife®
Cyberknife®Cyberknife®
Cyberknife®
Praveen Kumar
 

What's hot (20)

Tomotherapy
TomotherapyTomotherapy
Tomotherapy
 
image guided brachytherapy carcinoma cervix
image guided brachytherapy carcinoma cerviximage guided brachytherapy carcinoma cervix
image guided brachytherapy carcinoma cervix
 
Intensity modulated radiation therapy and Image guided radiation therapy
Intensity modulated radiation therapy and Image guided radiation therapy Intensity modulated radiation therapy and Image guided radiation therapy
Intensity modulated radiation therapy and Image guided radiation therapy
 
Final ICRU 62 ( International commission on radiation units and measurements)
Final ICRU 62 ( International commission on radiation units and measurements)Final ICRU 62 ( International commission on radiation units and measurements)
Final ICRU 62 ( International commission on radiation units and measurements)
 
Stereotactic body radiotherapy
Stereotactic body radiotherapyStereotactic body radiotherapy
Stereotactic body radiotherapy
 
Palliation brain, spinal and bone mets
Palliation brain, spinal and bone metsPalliation brain, spinal and bone mets
Palliation brain, spinal and bone mets
 
Hst motion inradiotherapy
Hst motion inradiotherapyHst motion inradiotherapy
Hst motion inradiotherapy
 
Step-by-Step Stereotactic Radiotherapy Planning of Vestibular Schwannoma: A G...
Step-by-Step Stereotactic Radiotherapy Planning of Vestibular Schwannoma: A G...Step-by-Step Stereotactic Radiotherapy Planning of Vestibular Schwannoma: A G...
Step-by-Step Stereotactic Radiotherapy Planning of Vestibular Schwannoma: A G...
 
Lung sbrt ppt
Lung  sbrt pptLung  sbrt ppt
Lung sbrt ppt
 
DEBATE ON HIPPOCAMPAL SPARING IN WHOLE BRAIN RADIATION IN BRAIN METS
DEBATE ON HIPPOCAMPAL SPARING IN WHOLE BRAIN RADIATION IN BRAIN METSDEBATE ON HIPPOCAMPAL SPARING IN WHOLE BRAIN RADIATION IN BRAIN METS
DEBATE ON HIPPOCAMPAL SPARING IN WHOLE BRAIN RADIATION IN BRAIN METS
 
Medulloblatoma - Field Matching In RT Planning - CSI
Medulloblatoma - Field Matching In RT Planning - CSIMedulloblatoma - Field Matching In RT Planning - CSI
Medulloblatoma - Field Matching In RT Planning - CSI
 
SBRT in lung cancer
SBRT in lung cancerSBRT in lung cancer
SBRT in lung cancer
 
ICRU 83 report on dose prescription in IMRT
ICRU 83 report on dose prescription in IMRTICRU 83 report on dose prescription in IMRT
ICRU 83 report on dose prescription in IMRT
 
Total body irradiation
Total body irradiationTotal body irradiation
Total body irradiation
 
Hemi body irradiation
Hemi body irradiationHemi body irradiation
Hemi body irradiation
 
Total Body Irradiation (TBI) Planning
Total Body Irradiation (TBI) PlanningTotal Body Irradiation (TBI) Planning
Total Body Irradiation (TBI) Planning
 
Motion Management in Radiation Therapy
Motion Management in Radiation TherapyMotion Management in Radiation Therapy
Motion Management in Radiation Therapy
 
External Beam Radiotherapy for Hepatocellular carcinoma
External Beam Radiotherapy for Hepatocellular carcinomaExternal Beam Radiotherapy for Hepatocellular carcinoma
External Beam Radiotherapy for Hepatocellular carcinoma
 
planning systems in radiotherapy
 planning systems in radiotherapy planning systems in radiotherapy
planning systems in radiotherapy
 
Cyberknife®
Cyberknife®Cyberknife®
Cyberknife®
 

W1_PLRT: Od tomografu do somy

  • 1. Podstawy planowania leczenia w radioterapii Część I: Tworzenie wirtualnego pacjenta Tomasz Piotrowski1,2 1 Zakład Elektroradiologii, Wydz Nauk o Zdrowiu, Akademia Medyczna, Poznań 2 Zakład Fizyki Medycznej, Wielkopolskie Centrum Onkologii, Poznań
  • 2. Radioterapia (Teleterapia) 1. Napromienianie zewnętrznymi źródłami promieniowania jonizującego (akceleratory medyczne, bomby kobaltowe, …). 2. W zależności od zaawansowania choroby oraz stanu ogólnego pacjenta radioterapię dzieli się na radykalną oraz paliatywną. Radioterapia paliatywna Cel: zmniejszenie bólu i polepszenie czynności życiowych pacjenta. Zastosowanie: bardzo zaawansowane procesy chorobowe np. napromienianie przerzutów do kości lub narządów wewnętrznych. Radioterapia radykalna Cel: wyleczenie pacjenta Zastosowanie: mniejszy stopień zaawansowania choroby (bez przerzutów odległych). Podział: konformalna, nie konformalna.
  • 3. Radioterapia radykalna Terapia konformalna Zastosowanie: pacjenci, dla których konieczne jest wykorzystanie dodatkowych akcesoriów modyfikujących rozkład dawki w celu jej jednorodnego rozkładu w obszarach: 1. Napromienianej zmiany nowotworowej. (obszary napromieniania: PTV, CTV, GTV) 2. Ochrony narządów i struktur zdrowych znajdujących się w pobliżu guza. (narządy krytyczne, OAR – organ at risk) Warunki konieczne (dodatkowe): 1. Wykonanie przekrojów poprzecznych pacjenta (skanów) na tomografie komputerowym (konieczność), MR (opcja), PET (opcja). 2. Wizualizacja obszaru napromieniania i narządów krytycznych oraz umożliwienie opracowania planu leczenia na komputerowych systemach planowania leczenia (TPS - treatment planning system) Przykłady radioterapii konformalnej (koplanarnej i niekoplanarnarnej): 3DCRT, IMRT, IGRT, Cone Beam (adaptative) radiotherapy, radioterapia stereotaktyczna
  • 4. Radioterapia radykalna Terapia nie konformalna Zastosowanie: nieskomplikowane lokalizacje zmiany nowotworowej, dla których proces przygotowania do radioterapii nie wymaga dużej ilości skanów (dokładna wizualizacja obszaru napromieniania i OAR) na TPS i opiera się głównie na wyznaczeniu pól terapeutycznych przez lekarza na symulatorze RTG. We wszystkich przypadkach radioterapii radykalnej konieczne jest precyzyjne unieruchomienie pacjenta w celu zapewnienia jak największej odtwarzalności leczenia. Przykłady akcesoriów unieruchamiających:
  • 5. Etapy przygotowania do RT radykalnej PACJENT Gabinet lekarski Pracownia modelarni Pracownia TK + MRI / PET Pracownia modelarni Symulator RTG Pracownia planowania leczenia Aparat terapeutyczny
  • 6. Gabinet lekarski 1. Kwalifikacja pacjenta 2. Wybór metody leczenia (radykalna, nieradykalna) uwarunkowany lokalizacją oraz rodzajem nowotworu. Podstawowe lokalizacje zmiany nowotworowej: a/ obszar mózgowia, b/ obszar głowy i szyi, c/ płuca, d/ klatka piersiowa, e/ miednica mniejsza, f/ inne. 3. Opracowanie strategii terapeutycznej: a/ sposób unieruchomienia, b/ decyzje dotyczące sposobu frakcjonowania dawki, geometrii napromieniania oraz przebiegu leczenia (wybrane schematy frakcjonowania, geometria napromieniania, metody dystrybucji dawki: Część II wykładu) W radioterapii obowiązuje zasada wyboru takiego sposobu frakcjonacji dawki promieniowania, który stwarza dla indywidualnego chorego największą szansę miejscowego wyleczenia guza nowotworowego i równocześnie wiąże się z najniższym ryzykiem odczynu popromiennego tkanek zdrowych. Zarówno szansa miejscowego wyleczenia guza jak i ryzyko powikłań popromiennych są szacowane na podstawie badań klinicznych i zależą od szeregu czynników biologicznych guza i zdrowych tkanek oraz od fizycznych i technicznych parametrów frakcjonowanego napromieniania.
  • 7. Kwantyfikacja obszaru napromieniania 1. GTV (gross tumor volume): obszar litego guza określonego w trakcie badań diagnostycznych 2. CTV (clinical target volume): obszar litego guza powiększony o objętość subklinicznego rozsiewu guza nowotworowego. Obszar subkliniczny rozsiewu: - nie można stwierdzić istnienia litego guza, - prawdopodobieństwo występowania pojedynczych komórek zmienionych nowotworowo jest bardzo wysokie. 3. PTV (planning target volume): planowany obszar napromieniania w którym należy zawrzeć: - GTV + CTV lub sam CTV w przypadku braku GTV - obszar ruchomości własnej (miomowolnej) CTV: IM (internal margin) - dodatkowy obszar uwzględniający potencjalny błąd ułożenia pacjenta na aparacie – SM (setup margin) (określanie, weryfikacja oraz dopuszczalne wartości IM, SM: Część III wykładu)
  • 8. Narządy krytyczne 1. Podział na cztery podstawowe grupy: a/ narządy szeregowe proste (np. rdzeń kręgowy) b/ narządy równoległe proste (np. płuca) c/ narządy o hierarchii podzespołowej - szeregowo-równoległe (np. serce) d/ struktury mieszane (np. nefron)
  • 9. Dwie strony medalu: TCP i NTCP 1. TCP (tumor control probability) – zależność prawdopodobieństwa wyleczenia od wartości i sposobu (frakcjonowanie) podania dawki promieniowania jonizującego. Szereg modeli radiobiologicznych spośród których należy wymienić: - model oparty na rozkładzie Poissona, Munro & Gilbert [6], „podwaliny” modelu liniowo-kwadratowego opisującego zależność „dawka-odpowiedź” TCP = exp[-Noexp(-αD-βDd)] - model logistyczny, model analityczno-matematyczny, brak prostej interpretacji radiobiologicznej TCP = exp(u)/[1+exp(u)] u=a0+a1D+a2Dd+…. 2. NTCP (normal tissue complication probability) prawdopodobieństwo powikłań w tkankach zdrowych. Modele opisujące narządy: - szeregowe - równoległe
  • 10. Źródło podstawowych informacji o anatomii pacjenta, wykorzystywanych w planowaniu RT 1. Tomografia komputerowa (CT) podstawowa metoda wizualizacji anatomii pacjenta, wykorzystywana w procesie komputerowego planowania leczenia (TPS) w radioterapii. Podstawowy argument: ścisła zależność pomiędzy wartościami skali szarości [HU] i gęstościami (dla pikseli „czystych” skanów CT bez kontrastu) - uwzględniana w trakcie obliczeń dawek. Niedoskonałości metody: - niezadowalająca wizualizacja struktur anatomicznych o zbliżonych gęstościach (tkanki miękkie). - brak informacji o metabolizmie guza i tkanek zdrowych.
  • 11. Źródła dodatkowych informacji o anatomii pacjenta, wykorzystywanych w planowaniu RT 1. Rezonans magnetyczny (NMR) szczegółowe informacje o anatomii tkanek miękkich poprzez pomiar sygnału NMR jąder wodoru umieszczonych w silnym polu magnetycznym, naświetlanych falą elektromagnetyczną o częstości odpowiadającej częstości precesji Larmora tych jąder. 2. Tomografie emisyjne (PET, SPECT) wizualizacja metabolizmu guza możliwa dzięki pomiarowi lokalnego wchłaniania substancji znakowanej radionuklidem (np. tlenu, glukozy, aminokwasów) poprzez detekcję produktów rozpadu promieniotwórczego (PET: β+, SPECT: γ). 3. Dodatkowe CT z kontrastem szczegółowe informacje anatomiczne dotyczące wybranych struktur (rozmiary, kształt oraz lokalizacja i orientacja przestrzenna) poprzez badanie CT ze środkiem kontrastującym ( uropolina - pęcherz, baryt - odbytnica).
  • 12. Idea tworzenia obrazów tomograficznych Wyznaczenie dwuwymiarowego (2D) lub trójwymiarowego (3D) rozkładu wybranej wielkości fizycznej na podstawie serii jednowymiarowych (1D) pomiarów 1. Promieniowania X (CT) mapa współczynników osłabienia promieniowania X 2. Rezonansu magnetycznego (NMR) rozkład np. gęstości lub czasów relaksacji protonów 3. Pozytonowa tomografia emisyjna (PET) rozkład aktywności izotopu β+- promieniotwórczego 4. Emisyjna tomografia komp. pojedynczych fotonów (SPECT) rozkład aktywności izotopu γ - promieniotwórczego Rozkłady 2D i 3D – wyznaczone na podstawie algorytmów opartych na identycznych założeniach
  • 13. Idea tworzenia obrazów tomograficznych (CT) 1. Układ pomiarowy: lampa rtg + detektor 2. Wiązka promieniowania - monoenergetyczna i skolimowana - parametry: h (grubość warstwy), w (podstawa) 3. Sekwencja pomiaru CT a. pomiar I ->przesunięcie o w (n powtórzeń) b. przesunięcie całego układu o kąt φ c. powtórzenie procedury (a)
  • 14. Idea tworzenia obrazów tomograficznych (CT) 1. Liniowy współczynnik osłabienia µ - funkcja 2D w układzie pacjenta (x,y) 3. Układ lampa-detektor: (t,s) t = xcosφ + ysinφ s = -xsinφ + ycosφ 4. Sekwencja pomiarowa: wykonanie n pomiarów dla różnych wartości t (krok co w) przy ustalonym kącie φ 5. Wartość natężenia I(φ, t) : PROJEKCJA µ (transformacja Radona µ)
  • 15. Idea tworzenia obrazów tomograficznych (CT) Dyskretna postać funkcji ciągłych: - projekcji µ: p(φ,t) - liniowego współczynnika osłabienia: µ(x,y) Podział obiektu na N = n x n kwadratowych elementów – pixeli. µ(x,y) stałe w obrębie pixela wjk - współczynnik wagowy dla j-tej projekcji k-tego pixela Metody rekonstrukcji obrazu tomograficznego: iteracyjne, wstecznej projekcji, trans. Fouriera
  • 16. Idea fuzji obrazów tomograficznych Nałożenie dwóch obrazów tomograficznych o zbliżonych koordynatach przestrzennych przedstawiających ten sam obszar CT MR Geometria: 2D-2D, 3D-3D, 2D-3D Podstawowe transformacje: sztywne proste i złożone, projekcyjne, krzywoliniowe Transformacja przy użyciu wybranego algorytmu Działanie algorytmów wykorzystywanych w procesie fuzji obrazów: manualne, automatyczne, pół-automatyczne FUZJA Anglojęzyczne określenia fuzji (nakładania) obrazów: registration, fusion, matching, merge, superimposition
  • 17. Fuzja – metody transformacji Klasyfikacja metod transformacji według możliwych operacji przeprowadzanych na nakładanym obrazie: 1. Sztywne proste (rigid) - przesunięcia, rotacja 2. Sztywne złożone (affine) - przesunięcia, rotacja - skalowanie, docinanie 3. Projekcyjne (projective) - przesunięcia, rotacja - skalowanie, docinanie - skalowanie perspektywiczne 4. Krzywoliniowe (curved) - krzywoliniowa deformacja pikseli obrazu nakładanego względem podstawowego
  • 18. Fuzja – metody transformacji Przykład – „matematyka transformacji” rigid i affine (rotacja i przesunięcie): yi=aijxj Parametry: yi –przed przesunięciem, xi –przed przesunięciem r – rotacja, t – przesunięcie
  • 19. Fuzja – podstawowe algorytmy matematyczne Klasyfikacja algorytmów matematycznych na podstawie wykorzystanej metody transformacji: 1. Transformacje sztywne (rigid, affine): - metoda punktów odwzorowań (landmark based); - dopasowanie konturów / wybranych powierzchni (segmentation based); wykorzystywane - dopasowanie na podstawie własności w radioterapii pikseli / wokseli (voxel based); - na podstawie DICOM lub manualne. 2. Transformacje krzywoliniowe (curved) i projekcyjne (projective): - metody elastycznego dopasowania pikseli / wokseli - metody perspektywicznego zniekształcania pikseli / wokseli
  • 20. Fuzja (algorytmy) – punkty odwzorowań 1. Określenie charakterystycznych punktów na obrazie pierwszym (podstawowym – CT) i odwzorowanie ich na obrazie drugim (nakładanym – MR, PET, CT + kontrast). 2. Lokalizacja punktów odwzorowań: - zewnętrzne (extrinsic) – markery / uchwyty unieruchamiające zlokalizowane poza ciałem pacjenta, - wewnętrzne (intrinsic) – charakterystyczne struktury anatomiczne ciała pacjenta. 3. Automatyczne dopasowanie obrazów (przesunięcie, rotacja, skalowanie) na podstawie punktów (superpozycja). 4. Automatyczne (komputerowe, na podstawie analizy numerycznej) określenie maksymalnej i średniej różnicy przesunięcia i rotacji punktów względem siebie. 5. Akceptacja lub korekcja (zmiana lokalizacji pkt) fuzji obrazów.
  • 21.
  • 22.
  • 23.
  • 24.
  • 25. Fuzja (algorytmy) – dopasowanie konturów 1. Komputerowa filtracja (wyodrębnienie): - krawędzi – granica pomiędzy dwoma strukturami różniącymi się znacząco gęstościami np. kość - tkanka miękka, tkanka miękka - powietrze), - wybranych struktur anatomicznych (np. kości). 2. Automatyczne dopasowanie wyodrębnionych struktur/krawędzi (przesunięcie, rotacja, skalowanie). 3. Podstawowe metody numeryczne: - algorytm „Head and Hat” – wyszukuje najbardziej optymalną metodę dopasowania, do obrazu podstawowego (Head), obrazu nakładanego (Hat). Metoda działania podobna do punktów odwzorowań jednak liczba porównywanych punktów w obszarze struktur/krawędzi (ustalonych w trakcie próbkowania jest zdecydowanie większa) - algorytm ICP (Iterative closest point) – dopasowanie iteracyjne odbywające się na podstawie porównania parametrów najbliższych punktów na obrazach podstawowym i nakładanym do momentu uzyskania najlepszej zgodności pomiędzy obrazami.
  • 26.
  • 27. Fuzja (algorytmy) – dopasowanie piksel/woksel 1. Porównanie wartości skali szarości zawartej w każdym wokselu / pikselu w celu jak najlepszego dopasowania obrazu nakładanego do podstawowego. 2. Najczęściej wykorzystywane metody numeryczne – metody korelacyjne
  • 28.
  • 29.
  • 30.
  • 31.
  • 32.
  • 33. Fuzja (algorytmy) – DICOM, manualne 1. Korzystanie z informacji zawartych w pliku DICOM tj: - lokalizacja i orientacja przestrzenna, - rozmiar okna (wielkość wizualizowanego obszaru np. 512x512 pikseli) - rozmiar piksela / woksela (informacje o skali). 2. Nie uwzględnianie informacji dotyczących kształtu, struktur anatomicznych, skali szarości. 3. Możliwość manualnej korekcji pliku wynikowego (przesunięcie, rotacja)
  • 34.
  • 35.
  • 36.
  • 37.
  • 39. Fuzja – metody optymalizacji Większość specjalistycznych programów wykorzystywanych w procesie fuzji obrazów wyposażona jest w dodatkowe metody optymalizujące automatyczny bądź pół automatyczny proces nakładania obrazów. Podstawowymi przesłankami stosowania dodatkowych procedur optymalizacyjnych są: - skrócenie czasu obliczeń numerycznych, - korekcja pliku wynikowego fuzji zwiększająca dopasowanie obrazów. Najczęściej stosowanymi procedurami optymalizacyjnymi są: - metoda Powella, - metoda Downhill Simplex, - metoda Brendta, - metoda Levenberga-Marquardta, - iteracja Newtona-Raphsona - metoda wyszukiwania stochastycznego.
  • 40. Fuzja – sposoby prezentacji obrazów metoda „szachownicy” lub podziału przezroczystość obrazu nakładanego koloryzacja obrazu nakładanego metoda „spy glass” (przezroczystej lupy)
  • 41. Symulacja leczenia WSTĘPNA SYMULACJA: 1/ zlokalizowanie i określenie rozmiarów obszaru napromieniania oraz narządów krytycznych 2/ określenie wstępnej geometrii promieniowania (ilość, wielkość, kształt i pozycja pól terapeutycznych), SYMULACJA WERYFIKACYJNA (Szczegółowy opis – Część III wykładu): 1/ weryfikacja zaprojektowanego na TPS planu leczenia 2/ wykonanie tatuażu na skórze pacjenta (masce) dla każdego z pól w celu późniejszej odtwarzalności na aparacie terapeutycznym, 3/ wykonanie zdjęć rtg w celu późniejszego porównania ich z komputerowymi rekonstrukcjami wykonanymi na TPS (DRR, digital reconstructed radiograph) oraz ze zdjęciami wykonanymi na aparacie terapeutycznym. Wyróżnia się dwie metody symulacji – klasyczną oraz wirtualną
  • 42. Symulacja leczenia SYMULACJA KLASYCZNA: 1/ symulator RTG: - Aparat wyposażony w lampę rentgenowską oraz układ detektorów rejestrujących różnice osłabienia promieniowania rentgenowskiego przenikającego przez ciało pacjenta. - Umożliwia odwzorowanie wszystkich możliwych ustawień geometrii promieniowania aparatu terapeutycznego – począwszy od obrotu głowicy, poprzez obrót kolimatora do zmiany rozmiaru pól i odległości pomiędzy źródłem promieniowania a pacjentem (SSD, skin source distance). - Pacjent układany jest na stole symulacyjnym będący odpowiednikiem stołu terapeutycznego. - Przed wykonaniem zdjęcia symulacyjnego weryfikuje się ułożenie pacjenta za pomocą symulacji świetlnej odwzorowującej kształt pola na skórze, weryfikując odległość SSD oraz położenie pacjenta w stosunku do punktu przecięcia się trzech prostopadłych do siebie wiązek laserowych (odległość od źródła do tego punktu jest zawsze równa jednej określonej wartości, punkt ten określamy mianem izocentrum).
  • 43. Symulacja leczenia SYMULACJA WIRTUALNA: 1/ Pracownia TK. - Odbywa się ona na zrekonstruowanym przez komputer (na podstawie skanów TK) trójwymiarowym obszarze ciała pacjenta (3D). - W zrekonstruowanym obszarze 3D określa się obszar napromieniania oraz narządy krytyczne. - W celu lepszego zobrazowania wybranych struktur możliwe jest zastosowanie filtrów graficznych. Podstawowymi filtrami stosowanymi w VS są: 1/ filtr dla tkanki kostnej, 2/ powietrza, 3/ tkanek miękkich oraz 4/ filtr mieszany. - Następnie, dobiera się geometrię oraz ilość planowanych pól terapeutycznych. - Dla każdego z pól możliwe jest utworzenie obrazu DRR. - Dane dotyczące pól wysyłane są do systemu laserów odwzorowujących ich kształt na skórze pacjenta.
  • 44. Obrysowywanie obszaru napromieniania i OAR „Czysty” skan TK jest interpretowany przez TPS jako zwykłe zdjęcie, czyli zbiór pikseli. Podobnie interpretowana jest rekonstrukcja 3D – jako zbiór voxeli. Dlatego też należy określić powierzchnię na skanie bądź obszar rekonstrukcji 3D, w którym kalkulowany będzie rozkład dawki promieniowania. Obszarem takim jest ciało pacjenta. [2,2,2] [1,2,2] Po określeniu obszaru kalkulacji dawki należy określić [2,2,1] [2,1,2] [1,2,1] [1,1,2] Skan 2 w nim obszar napromieniania [2,1,1] [1,1,1] oraz OAR. Skan 1 Najczęstszymi narządami / strukturami krytycznymi są: 1/ dla obszaru mózgowia – skrzyżowanie nerwów wzrokowych, gałki oczne lub/i soczewki oczu, pień mózgu, zdrowa część mózgu; 2/ dla obszaru głowy i szyi – rdzeń kręgowy, pień mózgu lub/i podstawa czaszki, gałki oczne lub/i soczewki oczu, ślinianka przyuszna, staw skroniowo-żuchwowy, krtań, skóra; 3/ dla płuc – płuca, serce, rdzeń kręgowy; 4/ dla obszaru klatki piersiowej – płuca, skóra; 5/ dla obszaru miednicy/brzucha – odbytnica, pęcherz, głowa kości udowej, jelita, nerki, wątroba, rdzeń kręgowy, śledziona. Każdy z wymienionych narządów może być w przypadku zajęcia przez komórki nowotworowe także obszarem napromieniania.
  • 45. Metody obrysowywania 1/ Ręczna - obrysowywanie „od punktu do punktu” bądź metodą free hand (znane w większości programów do grafiki wektorowej). 2/ Pół automatyczna - w celu rozpoczęcia obrysowywania pół automatycznego definiuje się jeden punkt (piksel) znajdujący się na wybranym skanie, poza ciałem chorego (w przypadku obrysowywania ciała) bądź wewnątrz wybranej struktury (w przypadku obrysowywania narządów / struktur wewnętrznych). Algorytm odpowiedzialny za obrysowywanie rozpoczyna przeszukiwanie w linii poziomej, pixeli różniących się znacząco pomiędzy sobą wartością wyszukiwanie dwóch pixeli różniących się pomiędzy sobą wartością zaczernienia mierzonej w [jH]. zaczernienia W przypadku znalezienia dwóch takich pikseli rozpoczyna się proces obrysowywania, który kontynuowany jest do momentu początkowy pixel rozpoczęcie zamknięcia się konturu bądź konturowania zdefiniowania przez użytkownika kolejnego punktu. 3/ Automatyczna („selekcji podobnych pixeli”) - opiera się na predefiniowalnych wartościach zaczernienia poszczególnych narządów wyrażonej w [jH]. Na przykład chcąc zobrazować tkankę kostną zbitą określamy zakres wartości zaczernienia od +800 jH do +1000 jH. Algorytm odpowiedzialny za selekcję przeszukuje wszystkie pixele wybierając te, które spełniają powyższy warunek.
  • 47. Literatura uzupełniająca 1. Piotrowski T, Skrobała A, Jodda A, Malicki J. Wybrane zagadnienia dotyczące planowania leczenia w radioterapii. Skrypt dla studentów. 2. Ekberg L, Holmberg O, Wittgren L, Bjelkengren G, Landberg T. What margins should be added to the Clinical Target Volume in radiotherapy treatment planning for lung cancer?, Radiat.Oncol. 1998, 48, 71- 77. 3. Källman P, Agren A, Brahme A. Tumor and normal tissue responses to fractionated non uniform dose delivery, Int.J.Radiat.Oncol.Biol.Phys. 1992, 62, 249-262. 4. Leunens G, Menten J, Weltens C, Verstraete J, Vanderschueren E. Quality assessment of medical decision making in radiation oncology: variability in target volume delineation for brain tumors, Radiother.Oncol. 1993, 29, 169-175. 5. Withers HR, Taylor JMG, Maciejewski B. Treatment volume and tissue tolerance, Int.J.Radiat.Oncol.Biol.Phys.1988, 59, 751-759 6. Munro TR, Gilbert CW. The relation between tumour lethal doses and the radiosensitivity of tumour cells. Br J Radiol 1961, 34, 246-51
  • 48. Literatura uzupełniająca 7. Steel GG. Basic Clinical Radiobiology. Arnold, London 1997 8. Swayne LC, Kaplan IL. Image Fusion in Medicine: An Overview using the CT-SPECT Model. J Nucl Med 1989;17:31-35 9. M. van Herk and H. M. Kooy, Automatic three-dimensional correlation of CT-CT, CT- MRI, and CT-SPECT using chamfer matching, Med. Phys. 21, 1163–1178 (1994) 10. J. B. Maintz and M. A. Viergever, "A survey of medical image registration," Med. Image Anal, 2, 1–36 (1998). 11. J. G. Rosenman, E. P. Miller, G. Tracton, and T. J. Cullip, Image registration: an essential part of radiation therapy treatment planning, Int. J. Radiat. Oncol., Biol., Phys. 40, 197–205 (1998). 12. Pruszyński B, Diagnostyka obrazowa, podstawy teoretyczne i metodyka badań, PZWL, Warszawa 2000 13. Khan FM, Potish RA. Treatment Planning in Radiation Oncology. Lippincott Williams&Wilkins, New York 1998
  • 49. Ćwiczenia do części I wykładu Podział na trzy grupy Pacjent - fantom anatomiczny RANDO Alderson Modelarnia, Tomograf Komputerowy, System Planowania Leczenia Ćw 1. Zapoznanie się z akcesoriami unieruchamiającymi, wykonanie maski unieruchamiającej - obszar głowy i szyi (45 min) Przygotowanie skanów TK pacjenta: a/ Obszar głowy i szyi, b/ Obszar płuc, c/ Obszar miednicy (30 min) Ćw 2. Fuzja obrazów: a/ metody punktów odwzorowań, dopasowania pikseli – TPS Eclipse, b/ dopasowanie konturów – TPS BrainLab (75 min) Ćw 3. Tworzenie bryły 3D na podstawie skanów komputerowych (15 min) Obrysowywanie OAR i obszaru napromieniania (60 min)