Evaluationsmodul

Die Visualisierung dreidimensionaler Dosisverteilungen verdient in einem 3D-Planungssystem be-sondere Beachtung, da sie die Grundlage für die Optimierung und die Dokumentation des Planes bildet. Auch in der 3D-Planung erfolgt die Darstellung dreidimensionaler Dosisverteilungen häufig durch die aus der 2D-Planung bekannten Form von relativen und absoluten Isodosenlinien oder halb-transparenten farbcodierten Flächen, die den transversalen CT-Schnittbildern überlagert wer-den.

Eine Erweiterung dieses Darstellungsverfahrens ist die Isodosendarstellung im Rahmen einer mul-tiplanaren Rekonstruktion (MPR) mit frei definierbarer Schnittführung. Aufgrund der Komplexität bei der multiplanaren Bildgebung muss das Planungssystem geeignete und möglichst intuitive Funktionen zur Navigation im 3D-Bilddatensatz und zur Auswahl der Schnittebenen zur Verfügung stellen. In den rekonstruierten Schnittbildern muss neben der Dosisverteilung auch die segmentier-ten Strukturen (z. B. als Konturen oder halb-transparente Farbflächen) sowie die Anordnung der Bestrahlungsfelder computergraphisch dargestellt werden können. Notwendig zur Bewertung und Auswahl der Bestrahlungstechnik ist eine vergleichende Darstellung alternativer Dosispläne, z. B.

durch Simultandarstellung der resultierenden Dosisverteilungen in definierbaren Schnittebenen auf dem Bildschirm.

Die Genauigkeit einer Dosisberechnung hängt neben den Grunddaten über das Bestrahlungsgerät sehr stark von dem individuellen Patientendatensatz (Inhomogenitäten) und der jeweiligen Be-strahlungstechnik ab. Gerade auch für die Beurteilung eines Bestrahlungsplanes durch einen Arzt ist die optionale Kenntlichmachung von Bereichen der Dosisberechnung wünschenswert, in denen mit einem gegenüber dem übrigen Dosisberechnungsbereich erhöhten Fehler zu rechnen ist (z.B.

Dosisaufbaubereich; Inhomogenitätsgrenzen). Es ist naheliegend, dass dieser Fehler nicht genau angebbar ist, sonst könnte er im jeweiligen Dosisberechnungsalgorithmus berücksichtigt werden.

Er sollte jedoch z.B. durch eine besondere Farbhinterlegung/Schraffur kenntlich gemacht werden können. Ebenso sollte auf der Darstellung der Dosisverteilung das Berechnungsgitter und die dar-aus entstehenden Interpolationsfehler vermerkt sein. Die Abweichung der Berechnungen des Be-strahlungsplanungssystems für ein bestimmtes Bestrahlungsgerät zu Evaluationsmessungen bei der Abnahmeprüfung kann eine Richtgröße für das systematische Berechnungsfehlerintervall sein.

Dies soll sicherstellen, dass in u.U. kritischen Bereichen der mögliche Fehler der Dosisberechnung nicht übersehen wird.

Charakteristisch für ein 3D-Planungssystem ist die Möglichkeit zur Rekonstruktion eines dreidi-mensionalen Modells des Patientenkörpers, z.B. auf der Grundlage segmentierter anatomischer Strukturen in Form von Netzgittern (Wireframes), schattierten Oberflächen (Ray-Tracing Verfah-ren) oder auch als Voxel-Graphik durch geeignete Aufbereitung der volumetrischen

CT-Bildinformation. Durch Zuordnung von verschiedenen Transparenzen lassen sich auch interne (verdeckte) Strukturen visualisieren. Diese Form der Darstellung erlaubt beliebige Beobachtungs-perspektiven auf den Patientenkörper und seiner Teilvolumina. Durch simultane graphische Dar-stellung der Bestrahlungsfelder lassen sich in einem 3D-Modell auch komplexe räumliche Feldkon-figurationen, z.B. nicht-koplanare Bestrahlungstechniken, veranschaulichen. Das Planungssystem muss den Anwender dabei durch intuitiv erfassbare räumliche Orientierungshilfen sowie graphi-sche und numerigraphi-sche Eingabefunktionen zur Festlegung der Perspektive unterstützen.

Im Rahmen einer 3D-Rekonstruktion tritt anstelle von Isodosenlinien eine geschlossene räumliche Isodosenfläche, die z. B. als Netzgitter oder halb-transparente Oberfläche ein frei definierbares Isodosenniveau repräsentiert. Dieses Darstellungsverfahren ermöglicht einen globalen Überblick über die 3D-Dosisverteilung, erfordert aber stets eine komplette volumetrische Dosisberechnung über den gesamten CT-Datensatz. Damit steigt auch der Zeitaufwand für die interaktive Optimie-rung des Bestrahlungsplanes auf der Grundlage einer 3D-Rekonstruktion. Die Leistungsfähigkeit der zugrundeliegenden Hardware und geschwindigkeitsoptimierte Berechnungsverfahren stellen in diesem Zusammenhang wichtige Randbedingungen dar.

Neben der Visualisierung der 3D-Dosisverteilung stellen Dosis-Volumen-Histogramme (DVH) ei-nes der wichtigsten Hilfsmittel für die Bewertung eiei-nes Therapieplaei-nes dar. In der differentiellen Form geben DVH die Häufigkeitsverteilung diskretisierter Dosiswerte innerhalb einer segmentier-ten Struktur (z. B. dem Zielvolumen oder einem Risikoorgan) wieder. In der - häufiger verwendesegmentier-ten - integralen (kumulativen) Form repräsentieren DVH die Summe aller Volumenelemente einer Struktur, in denen bestimmte Dosiswerte überschritten werden. Die Bedeutung der DVH ist darin zu sehen, dass mit ihnen der Informationsgehalt der dreidimensionalen Dosisverteilung zum Zweck der Übersichtlichkeit reduziert wird. DVH eignen sich in besonderer Weise zum schnellen Erkennen unterdosierter Bereiche im Zielvolumen und Überschreitungen der Toleranzschwellen in Risikoorganen. Aufgrund fehlender Ortsinformation im DVH ist zur Lokalisation und Beurteilung solcher Bereiche eine Visualisierung der dreidimensionalen Dosisverteilung weiterhin unverzich-tbar. Eine Verknüpfung zwischen der DVH-Darstellung und den jeweiligen Dosisvoxeln durch eine Markierungsfunktion ist daher wünschenswert, die eine Verbindung zur Volumendosisdarstellung realisiert [Kessler et al. 1994]. Ein weiterer Ansatz zur Beurteilung der Anpassung der Dosisvertei-lung an das PTV ist der Konformationsindex (CI, Conformity Index). Die meist verwendete Form ist die Definition in ICRU 62 bzw. [Knöös 1998] als der Quotient aus dem Volumen des PTV VPTV und dem Volumen, das die minimale Behandlungsisodose (typisch 95%, VTreatedVolume‘) einschließt. Da-bei wird eine vollständige Umschließung des PTV als Bedingung vorausgesetzt:

PTV ume TreatedVol

V CI =V

Eine alternative Definition bezeichnet als ‚new conformity index‘ bezieht die Schnittmenge dieser beiden Volumina (= V_TreatedPTV) mit ein, um die Bewertung der Konformität der Dosisverteilung zu präzisieren [Paddick 2000]:

Die Verbesserung der Konformität im Sinne des ursprünglichen CI hat zur direkten Konsequenz, dass externe Lagerungsvariationen und innere Organbeweglichkeiten in stärkerem Ausmaß be-rücksichtigt werden müssen. Dies kann in einem Ansatz durch entsprechende Sicherheitssäume im PTV [ICRU 62] geschehen, wünschenswerter ist jedoch die individuelle Anpassung des Be-strahlungsplanes an die momentane Lage und Ausdehnung des Zielvolumens im Patienten bei jeder Bestrahlung, um eine weitere Schonung von Risikoorganen und Normalgewebe zu errei-chen. Eine enge Verknüpfung des Bestrahlungsplanungssystems mit den Lagerungsverifikations-systemen an den Bestrahlungsgeräten ist dazu Voraussetzung. Es sind Verfahren der Bilderken-nung notwendig, die die aktuelle Position und AusdehBilderken-nung des Zielvolumens anhand von Markern oder internen Strukturen automatisch erkennen und an das Bestrahlungsplanungssystem übermit-teln können. Dort wird ein aktualisierter Bestrahlungsplan erstellt und zurück übermittelt. Dieser Bestrahlungsplan kann eine einfache Lagerungskorrektur umfassen, aber auch eine vollständige Neuberechnung der Bestrahlungsparameter. Hierbei ist die notwendige Plausibilitätsprüfung des modifizierten Bestrahlungsplanes vor seiner Durchführung am Patienten sicherzustellen.

Für besondere Bestrahlungspläne oder bei der Einführung neuer BPS oder Bestrahlungstechniken kann eine Überprüfung der Daten durch den direkten Vergleich mit Messungen erforderlich sein.

Ein möglicher Ansatz zur Visualisierung der Güte der Übereinstimmung zwischen zwei Dosisda-tensätzen ist der γ-Index [Low 1998], ein Qualitätsindex, der die Differenz der Dosiswerte in einer gegebenen Position sowie die Ortsdifferenz bis zur Übereinstimmung der Dosiswerte (siehe auch [Van Dyke 1993]) zu einem gemeinsamen Wert vereinigt. Abhängig von vorgebbaren Akzeptanz-kriterien der Dosis- bzw. Ortsdifferenz kann damit ein einziger Wert zu jedem Berechngungs- bzw.

Messpunkt bestimmt werden, der für γ > 1 eine Überschreitung dieser Akzeptanzkriterien signali-siert. Durch z.B. eine farbkodierte Auftragung zusammen mit den Dosiswerten der Berechnung läßt dieser sich grafisch integriert darstellen und ermöglicht eine schnelle Lokalisierung von Punk-ten, in denen die Akzeptanzkriterien verletzt werden.

Eine Berechnung von Absolutwerten für die "Tumor Control Probability" (TCP) und die "Normal Tissue Complication Probability" (NTCP) anhand strahlenbiologischer Modelle unter Einbeziehung von Dosis-Wirkungs-Beziehungen und Volumeneffekten ist gegenwärtig - aufgrund des Fehlens klinischer Daten - noch nicht befriedigend möglich. Ein weiterer biologischer Bewertungsparameter ist die Equivalent Uniform Dose (EUD) [Niemierko 1997]. Der EUD-Wert repräsentiert die

Tumor-dosis, die - bei ideal homogener Verteilung im Zielvolumen - zur gleichen TCP führen würde, wie die tatsächlich resultierende i.A. inhomogene Dosisverteilung.

Biologische Modelle sind derzeit Gegenstand intensiver Forschung, so daß in Zukunft mit einer Zunahme der Bedeutung biologischer Optimierungskriterien in der Bestrahlungsplanung zu rech-nen ist.