Hochpräzise Bewegungsverfolgung am Kopf in der Strahlentherapie

Projektbeschreibung

Thermoplastische Maske

Die Erkennung und Kompensation von Patientenbewegungen ist besonders in der kranialen Strahlentherapie ein herausforderndes und bedeutendes Problem, dessen Lösung für eine hochgenaue Behandlung essentiell ist. Im Laufe der Zeit haben sich zwei Ansätze zur Bewältigung der Problematik etabliert: Eine Möglichkeit ist die Fixierung des Kopfes, eine andere die Erkennung und Kompensation von Bewegungen. Für ersteres bilden stereotaktische Rahmen, thermoplastische Masken und Beißblöcke den aktuellen Stand der Technik. Dabei wird angenommen, dass eine Bewegung nicht möglich und die Position somit fix ist. Abgesehen von der Tatsache, dass viele Patienten eine Fixierung nicht tolerieren, hat sich herausgestellt, dass trotz Fixierung Bewegungen im Millimeterbereich möglich sind. Beim zweiten Ansatz kommt unter anderem Röntgenbildgebung zum Einsatz. Dadurch wird der Patient einer zusätzlichen Strahlendosis ausgesetzt und die Abtastrate ist für die kraniale Therapie auf 1Hz limitiert.

Ein weiterer Ansatz, der sich in den vergangenen Jahren etabliert hat, basiert auf markerlosem optischen Tracking. Dabei wird die Stirn des Patienten mit Hilfe eines Laserscanners abgescannt und die Position errechnet. Kommerziell verfügbare Systeme setzen eine leichte Fixierung voraus, können aber aufgrund des Verfahrens eine Echtzeiterfassung der Kopfposition gewährleisten. Obwohl vielversprechende Ergebnisse z.B. mit der Microsoft Kinect® erzielt wurden, konnte eine Genauigkeit im Submillimeterbereich bisher nicht erreicht werden. Der Hauptgrund besteht darin, dass es keine Punkt-zu-Punkt-Korrespondenzen beim markerlosen Tracking gibt. Hinzu kommt, dass menschliches Gewebe kein rigides Objekt ist, wodurch das Finden etwaiger Korrespondenzen sehr fehleranfällig ist. Registrieralgorithmen, die für dieses Problem konzipiert wurden, setzen aber genau eben diese natürlichen Landmarken voraus. Gerade bei Haut kommt es zu Doppeldeutigkeiten während der Registrierung, weshalb diese Algorithmen in lokale Fehlerminima konvergieren und damit ihre Zuverlässigkeit stark abnimmt.

Bild (1) Lasertriangulationsaufbau, (2) Laserabtastung der Stirn, (3) MR segmentierte Gewebedicke.

  • MRI segmented tissue ground truth

Durch die Kombination verschiedenster Expertisen im Bereich Informatik, Elektronik, angewandte Mathematik, maschinelles Lernen und biomedizinischer Optik arbeiten wir an einem Lasertriangulationsverfahren zum Erreichen eines submillimetergenauen Trackings. Im Rahmen des Projektes haben wir sowohl die nötige Hardware, die dazugehörige Elektronik als auch algorithmische Verfahren entwickelt, die vielversprechende Ergebnisse liefern. Dabei wird analog zu bestehenden Systemen mit Hilfe eines Laserscanners ein Muster auf die Stirn des Probanden projiziert und die 3D-Struktur ermittelt. In Kombination mit der für jeden Punkt des Musters errechneten Gewebedicke entsteht eine 4D-Punktwolke, welche zum Tracking verwendet wird. Letztere verbessert die Trackinggenauigkeit maßgeblich gegenüber bestehenden Systemen. Die Entwicklung dieses Verfahrens wird in Kooperation mit der Firma Varian Medical Systems Inc., dem weltmarktführenden Hersteller für Strahlentherapiegeräte, durchgeführt und soll bis zur klinischen Reife gebracht werden.

Bild (1) Rekonstruierte 3D Oberfläche, (2) Punktwolke mit überlagerter Rückstreucharakteristik, (3) Punktwolke überlagert mit rekonstruierter Gewebedicke

  • Triangulated 3D surface point cloud
  • Feature-labeled point cloud
  • Reconstructed tissue-labeled point cloud

Veröffentlichungen

Verantwortlich

Floris Ernst
Haus 64 / Raum 95 +49 451 31015208


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