Dosimetric verification of synthetic CT using Cone Beam CT in an MRI only workflow

Abstract

Background and purpose: The MRI only workflow aims to base the treatment planning solely on magnetic resonance imaging (MRI), hence excluding the traditional computed tomography (CT) scan. To do that synthetic computed tomography (sCT) data is generated, replacing the conventional CT data. The aim of this study was to investigate the possibility of using cone beam computed tomography (CBCT) images to verify the sCT data. This was done via investigation of the properties of the kV CBCT systems in the clinic and comparing dose distributions carried out on both the sCT and the CBCT data.

Materials and methods: Several phantom measurements were made on the kV CBCT systems on the six Varian TrueBeamTM linac used in the clinic. The properties investigated were the variation in Hounsfield Units (HUs) over time for one kV CBCT system as well as variation between the six kV CBCT systems. The HUs of one kV CBCT system was also compared to HUs from a Siemens CT system. Using 28 CBCT data sets from seven patients, a HU to relative electron density (RED) table was created. Treatment plans (RapidArc) were calculated on sCT, CT and CBCT images using the standard HU-RED table based on CT HU. For the CBCT data, additional calculation was done using the HU-RED table based on CBCT HU. The difference between the dose distributions was evaluated comparing clinical dose volume histograms (DVH) and mean absorbed doses.

Results: The phantom measurements showed that the kV CBCT system was stable in HU over time. All six kV CBCT systems generated comparable HU values. The variation of HUs between CT and CBCT images was minor. The CBCT images, however, exhibited larger variation across the field of view (FOV) compared to CT images. Dose calculation based on CBCT data showed a mean dose difference to PTV of 0.0% (HU-RED CT) and -0.8% (HU-RED CBCT) compared to dose calculations based on sCT data.

Conclusion: The HUs for one kV CBCT system were found to stable over time. The variation between the six kV CBCT systems were found to be minor. Results obtained for one system can therefore be transferred onto all the systems. The minor difference in HUs between CT and CBCT images indicates that a correction of HUs is not necessary to obtain sufficiently accurate absorbed dose calculations on CBCT images. The compared dose distributions based on CBCT and sCT data showed good agreement in terms of dose accuracy, regardless of which HU-RED table used. This indicates that CBCT data can be used to verify sCT data.

Popular Abstract (Swedish)

En tredjedel av de män som diagnostiseras med cancer i Sverige idag diagnostiseras med prostatacancer. Prostatacancer är den vanligaste förkommande cancerformen i Sverige. Det finns flera behandlingsmetoder för prostatacancer, en utav dem är extern strålbehandling. Vid behandling med denna metod bestrålas prostatan med en strålkälla som befinner sig utanför kroppen. En liten stråldos ges vid flera olika tillfällen och det är viktigt att man ligger likadant vid varje tillfälle.

Innan man kan starta sin strålbehandling måste vissa förberedelser utföras. Ett vanligt förberedande steg för prostatacancerpatienter är att genomgå en magnetresonans (MR)-undersökning. Detta är en undersökning som med hjälp av magnetism skapar tredimensionella bilder av kroppens inre. MR är en bildmetod som ger anatomisk information och har fördelen att mycket gott kunna avbilda mjukvävnad som till exempel prostatan. Bildmetoden har även goda förutsättningar att visa tumörutbredning. Detta ger att man noggrant kan bestämma cancerns utbredning och läge.

Patienterna genomgår även en datortomografi, kallad CT. Detta är en undersökning som med hjälp av röntgenstrålar skapar tredimensionella bilder av kroppens inre. Förutom att ge anatomisk information ger bilderna även information om hur röntgenstrålningen dämpas i kroppen. Med kombination av MR- och CT-bilder bestämmer läkare vilket område som ska bestrålas och vilka områden som ska undvikas för att skona känsliga organ. Sedan görs en behandlingsplan där man detaljerat planerar så att rätt mängd stråldos hamnar på rätt plats.

För att möjliggöra ett enklare arbetsflöde har forskare visat ett intresse för att enbart använda sig av MR-bilder i förberedelserna och utesluta CT-bilder. Detta gör att de osäkerheter som tillkommer då man kombinerar de båda bildtyperna försvinner. Dock har man problemet att MR-bilder inte ensam besitter den information som krävs för att skapa behandlingsplaner. För att lösa detta har man utvecklat en metod som omvandlar MR-bilderna till bilder som ser ut och kan användas inom dosplanering på samma sätt som CT-bilderna. Dessa bilder kallas syntetiska CT-bilder.

De olika stegen i förberedelserna inför strålbehandling kontrolleras av sjuksköterskor, läkare och fysiker för att säkerhetsställa att allt är korrekt. Vid införande av syntetiska CT-bilder behövs ett tillvägagångssätt för att kontrollera att de skapade bilderna är korrekta. Idag görs detta genom att jämföra de syntetiska CT-bilderna mot de fortfarande existerande CT-bilderna. Men om CT-bilderna ska tas bort krävs ett annat tillvägagångssätt. Detta arbete föreslår en metod för hur detta skulle kunna gå till samt utvärderar resultatet och jämför mot den redan existerande metoden. Den nya metoden utgörs av att de syntetiska CT-bilderna jämförs mot en bild som tas på patienten inne i behandlingsrummet med behandlingsapparaten. Resultatet av studien visar att den nya föreslagna metoden på ett lovande vis kan användas för kontroll av syntetiska CT-bilder. Med vidare undersökning kan den nya metoden införas i den kliniska verksamheten.

• author: Palmér, Emilia
• supervisor: Petra Ambolt; Emilia Persson
• organization: Medical Physics Programme
• course: MSFT01 20171
• year: 2017
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Medicine and Health Sciences
• language: English
• id: 8926419
• date added to LUP: 2017-09-27 20:41:53
• date last changed: 2017-09-27 20:41:53