MRI only radiotherapy using synthetic CT images: Dosimetric accuracy and patient positioning strategies in an MRI only workflow

Abstract

Background and purpose: Magnetic resonance imaging (MRI) only radiotherapy has, due to superior
soft tissue contrast of MRI and the possible reduction of systematic uncertainties, grown into a promising technique. The purpose of this work is to investigate parts of an MRI only workflow with synthetic computed tomography (sCT) images generated from MRI. This was done through investigation of treatment planning abilities and patient positioning strategies in a suggested MRI only workflow for prostate cancer patients.

Material and methods: A novel atlas based generation method, The Statistical Decomposition Algorithm (SDA), was used for sCT generation. sCT images of six patients were evaluated visually and using the DICE similarity index. Treatment plans (Intensity modulated radiation therapy (IMRT) and protons) were calculated based on conventional CT and sCT and compared using clinical dose- volume histogram (DVH) criteria and gamma evaluation. Patient positioning in the MRI only workflow were investigated through two studies, including five patients. The ability to identify implanted gold fiducials in MRI was investigated and a MV bone match procedure tested with digitally reconstructed radiographs (DRR).

Results: The image analysis implicated minor problems with the bone surfaces in the generated sCT, and some disparities compared to CT were noted. The treatment planning study showed that treatment planning on sCT introduced a mean dose difference to PTV of -0.2% to -0.1% compared to CT. Gamma analysis showed a mean pass rate close to 100% for IMRT (1%/2mm) and 93% for protons (3%/2mm). The fiducial marker identification study showed that the fiducials could be identified, in all cases but one. In this case a marker was identified centimeters from the right position. The bone match showed differences of 0.7-0.9 mm between match performed with CT-DRRs and sCT-DRRs images towards MV images.

Conclusion: Good agreement in terms of dose accuracy was found when dose distributions were compared between sCT and CT treatment plans. The image evaluation indicated disparities in the bone surface between sCT and CT, but this had only small effect on the resulting dose distributions for photon plans. Patient positioning strategies needs further work and guidelines have to be developed. The initial results of this study show a problem with transferring the fiducial marker positioning strategies in the conventional workflow to the MRI only workflow. The MV bone match can be performed and, although it may not be the preferred procedure for prostate patient, the study showed
good results and can be usable for other diagnosis.

Popular Abstract (Swedish)

Sedan sent 1800-tal har strålterapi använts för behandling av cancer. 50% av alla cancerpatienter blir
någon gång behandlade med strålterapi, som är en avancerad teknik med många olika steg för att uppnå den slutgiltiga behandlingsplanen. Patienten börjar sin strålbehandlingsresa med att bli diagnosticerad och får sin behandling ordinerad. Efter detta startar förberedelserna inför strålbehandlingen, vilket är en lång process innan behandlingen kan ges. För att kunna skapa den behandling som är ordinerad måste man först ha bilder på patienten där cancern och organ syns. Dessa bilder används för att bestämma vart strålningen skall riktas och vilka områden som önskas undvikas. Detta görs för att uppnå bästa möjliga behandlingsresultat, samtidigt som biverkningar undviks.

De bilder man använder till strålbehandlingen fås från en så kallad skiktröntgen. Denna ger tredimensionella bilder av patienten där man önskar kunna se cancern samt omkringliggande organ. Denna bild skickas till det som kallas för dosplaneringssystemet, vilket är det system där behandlingen skapas. Man beräknar här hur mycket strålning som skall ges till cancern, samt justerar så att strålningen till omgivande organ inte blir över rekommenderade gränser. Att kunna utföra detta kräver att cancern är väl utritad på skiktröntgenbilderna, vilket kräver att man kan se skillnader mellan mjukdelarna i kroppen. Tyvärr är en av de stora nackdelarna hos skiktröntgen att det är svårt att skilja mellan olika mjukdelar i bilderna. Detta leder till att cancern och organen i patienten kan vara svåra att hitta exakt, vilket i sin tur leder till att man riskerar att inte kunna ge den önskade behandlingen.

För att lösa problemet med de bristfälliga bilderna har forskare riktat in sig mot användningen av en annan bildgivande teknik – magnetkameran. Magnetresonans (MR) är en bildgivande teknik som ger tredimensionella bilder av patienten utan att använda röntgenstrålning. MR använder starka magnetfält för att påverka vattnet i kroppen, vilket ger bilder med mycket god skillnad mellan mjukdelarna i kroppen. Dessa bilder är i många fall idealiska för bestämning av cancerns position, vilket i sin tur kan leda till bättre behandlingar.

De system som idag används för att skapa behandlingarna är utvecklade för att passa bilder från skiktröntgen och problematik uppstår när bilderna från magnetkameran ska användas. Bilderna från magnetkameran passar inte för att utföra de beräkningar av stråldoserna som behövs inför behandlingen. För att lösa detta problem har forskare föreslagit att man omvandlar de bilder som kommer från magnetkameran till bilder som liknar skiktröntgenbilderna. Man kan på så vis hitta cancern och organen på MR bilden, sedan omvandla bilden för att kunna beräkna stråldoserna.

Precis som alla nya tekniker så medför införandet av ny teknik mycket tester innan slutprodukten kan utnyttjas. Detta gäller även för införandet av ny teknik i strålbehandling. Detta arbete föreslår och utvärderar en ny strålbehandlingsmetod med MR bilder och jämför denna med den gamla metoden med skiktröntgenbilder. Önskvärt var att se om den nya tekniken gav likvärdiga resultat som de gamla och utvärdera dess användbarhet. Undersökningar visade att den nya tekniken med MR gav mycket lovande resultat och kan potentiellt eliminera osäkerheter som den gamla metoden bidrar med. En ny bildteknik utan strålning kan erbjuda många fördelar jämfört med den gamla tekniken, både i diagnostiskt syfte och ur behandlingssynpunkt. Vidare undersökningar av metoden förväntas leda till införandet av en ny metod för strålbehandling, anpassad till de nuvarande krav som ställs på
cancerbehandlingar.

• author: Persson, Emilia
• supervisor: Fredrik Nordström; Carl Siversson; Crister Ceberg
• organization: Medical Physics Programme; Medical Radiation Physics, Lund
• course: MSFT01 20151
• year: 2015
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Medicine and Health Sciences
• language: English
• id: 8033392
• date added to LUP: 2015-09-29 21:58:56
• date last changed: 2017-01-09 16:31:34