Stellenwert der funktionellen Bildgebung in der Strahlentherapieplanung

INHALTSVERZEICHNIS

1 EINLEITUNG
1.1 THEMA
1.2 PROBLEMSTELLUNG
1.3 ZENTRALE FRAGESTELLUNG
1.4 METHODE

2 GRUNDLAGEN
2.1 BILDGEBENDE VERFAHREN IN DER STRAHLENTHERAPIEPLANUNG
2.1.1 Strukturelle Verfahren ─ MRT , CT und Ultraschall
2.1.2 Funktionelle Verfahren ─ PET-CT und PET-MR
2.2 ARBEITSPROZESSE IN DER STRAHLENTHERAPIE
2.2.1 Auswertung multiparametrischer Bilddaten
2.2.2 Integration, Fusion und Korrelation multimodaler Bilddaten
2.2.3 Workflow der multimodalen Bildgebung

3 EXPERTENBEFRAGUNG
3.1 METHODE
3.1.1 Untersuchungsfragen
3.1.2 Untersuchungsrahmen und Untersuchungsdurchführung
3.1.3 Erhebungs- und Auswertemethode
3.2 ERGEBNISSE
3.2.1 Verfügbare Modalitäten in den Institutionen
3.2.2 Institutionsabhängige Tumoridentifikation u. Einzeichnen d. PTV´s
3.2.3 Institutionsabhängige bevorzugte Modalitäten

4 INTERPRETATION DER ERGEBNISSE

5 ZUSAMMENFASSUNG

6 ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS

7 ABBILDUNGSVERZEICHNIS

8 TABELLENVERZEICHNIS

9 LITERATURVERZEICHNIS

10 ANHANG

Kurzzusammenfassung:

In der Strahlentherapieplanung können zur Zielvolumendefinition sowohl morphologische Verfahren wie CT und MRT als auch Informationen der funktionellen Bildgebung herangezogen werden. Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit liegt in der Auseinandersetzung mit den Vor- und Nachteilen der unterschiedlichen Modaltitäten im Hinblick auf die Strahlentherapieplanung. Um eine optimale Konturierung des Zielvolumens zu gewährleisten, ist sowohl die anatomische Information als auch der Einsatz der funktionellen Bildgebung notwendig. Die gemeinsame Verwendung dieser Verfahren ist in der Praxis allerdings noch wenig verbreitet. Somit ergeben sich folgende Forschungsfragen:

- Welches bildgebende Verfahren ist für die Bestimmung der strahlentherapeutischen Zielvolumina in der Praxis am weitesten verbreitet?
- Welches bildgebende Verfahren führt zu optimalen Ergebnissen in der Strahlentherapie- planung?
- Was sind Gründe für die Verwendung der jeweiligen Verfahren in den Institutionen?

Die Auswertungen der Expertenintervies sowie Recherchen in einschlägiger Fachliteratur ergaben, dass die Zielvolumendefinition im Wesentlichen tumorentitätsabhängig ist und, hauptsächlich nach wie vor die Computertomographie als Grundlage für die Tumorkonturierung im Bestrahlungsplanungsprogramm verwendet wird. Der Grund dafür ist die Tatsache, dass nicht alle Krankenanstalten über einen Zugang zu funktionellen bildgebenden Verfahren verfügen. Die Conclusio dieser Befragung ist, dass die Verfügbarkeit nuklearmedizinischer Verfahren für die Strahlentherapieplanung flächendeckend angestrebt werden sollte.

Schlagworte :

Strahlentherapieplanung, Nuklearmedizin, multimodale Bildgebung

Abstract:

This study describes the different ways of planning the target volume in radiation therapy. The thesis discusses the advantages and disadvantages of morphological methods like CT and MRI and the positive and negative aspects of nuclear medicine applications like PET (positron emission tomography). However, for a ideal radiation therapy planning the additional information from the nucleare medicine methods are also necessary, because it allows an optimal imaging of the biological activity. Instead of this technique the morphological methods are characterized by the precise representation of the anatomy. The aim of this study was to answer the following reseach questitions:

- Which imaging procedure is used for the determination of the planning target volume in clinical practice?
- Which imaging techniques would lead to optimal results in radiation therapy planning?
- What are the reasons for the use of each method in the medical centers?

Six experts from different departements and medical centers were involved in a questionnaire survey. The findings indicate that the choice of the method depends on the tumor enitity. The survey also suggest that the majority of cases were planned with computed tomography, because only a few medical centers have access to a PET-CT. The conclusion of this investigation is that the importance of molecular imaging is growing. Furtherinvestment in research and infrastructure is required to provide the widest possible access to PET-CT and PET-MR for radiation therapy planning .

Keywords (at least 3, max. 6):

radiation therapy planning, nuclear medicine, multimodal imaging

1 Einleitung

Diese Arbeit beschäftigt sich mit bildgebenden Verfahren, die als Grundlage für die Strahlentherapieplanung verwendet werden können. Besonderes Augenmerk wird dabei auf die Rolle funktioneller nuklearmedizinischer Verfahren in der Strahlentherapieplanung gelegt. Es werden dabei sowohl theoretische als auch praktische Aspekte der multimodalen Bildgebung erörtert.

1.1 Thema

Die Grundlage für eine Strahlentherapieplanung können sowohl strukturelle als auch funktionelle bildgebende Verfahren sein. In dieser Arbeit sollen die Vor- und Nachteile der jeweiligen Methoden herausgearbeitet werden. Dazu werden die Erfahrungen von Experten unterschiedlicher Institutionen in die Untersuchung mit einfließen.

1.2 Problemstellung

Um optimale Ergebnisse in der Strahlentherapieplanung erzielen zu können, wird sowohl die anatomische Information struktureller Verfahren wie CT oder MRT als auch die funktionelle Darstellung des Tumors benötigt. Die Kombination struktureller und funktioneller Bildgebung wird in der Praxis jedoch nur selten zur Zielvolumendefinition verwendet.

1.3 Zentrale Fragestellung

1. Welches bildgebende Verfahren ist für die Bestimmung der strahlentherapeutischen Zielvolumina in der Praxis am weitesten verbreitet?
2. Welches bildgebende Verfahren führt zu optimalen Ergebnissen in der Strahlentherapieplanung?
3. Was sind Gründe für die Verwendung der jeweiligen Verfahren in den Instituten der befragten Experten?

1.4 Methode

Die Beantwortung der Forschungsfragen erfolgt durch Interviews mit Experten aus unterschiedlichen Fachrichtungen. Hierzu werden zwei Radioonkologen, zwei Radiologietechnologen, ein Nuklearmediziner und ein Physiker aus unterschiedlichen Institutionen befragt. Die Befragung erfolgt mittels leitfadengestütztem Interview. Als Auswertemethode dient die qualitative Inhaltsanalyse nach Mayring, wobei die Aussagen der sechs Experten kategorisiert und miteinander verglichen werden. Ebenso werden die theoretischen Grundlagen dieser Arbeit mittels Literaturrecherche erarbeitet.

Aus Gründen der besseren Lesbarkeit wird für Personenbezeichnungen jeweils nur die männliche Form verwendet. Die weibliche Form ist dabei jeweils mit eingeschlossen.

2 Grundlagen

Die Strahlentherapie ist neben der Chirurgie und der Chemotherapie eines der drei Standbeine der Therapie onkologischer Patienten. Dabei nutzt die perkutane Strahlentherapie die Fähigkeit ionisierender Strahlung zur Zerstörung von Tumorzellen. Das Ziel ist, das umgebende gesunde Gewebe bestmöglich zu schonen, während die Dosis im Tumorgewebe möglichst hoch sein sollte. Hierzu darf die applizierte Dosis in gewissen strahlensensiblen Strukturen (beispielsweise Sehnerv oder Hirnstamm) den entsprechenden Schwellenwert nicht überschreiten. Insbesondere hat es sich als problematisch erwiesen, wenn das „gross tumor volume“ (GTV) den Risikoorganen besonders naheliegt, da die Dosisgradienten zwischen dem Zielvolumen und dem entsprechenden strahlensensitiven Strukturen nicht beliebig steil gewählt werden können. Folglich ist das Zielvolumen möglichst präzise zu definieren (Neff, 2005, S. 3).

Die Strahlentherapie beruht, wie anfänglich schon erwähnt, auf speziellen Eigenschaften ionisierender Strahlung. Durch Wechselwirkungen mit dem Gewebe kommt es letztlich zu irreversiblen Schädigungen der DNA. Der wesentliche Unterschied zwischen Tumorzelle und gesunder Zelle liegt in den verminderten Reparaturkapazitäten der malignen Zellen. Somit basiert der therapeutische Effekt auf der Tatsache, dass Tumorzellen eine höhere Strahlensensitivität gegenüber gesunden Zellen aufweisen. Außerdem macht sich das fraktionierte Therapieschema den Effekt zu Nutze, dass die Zelle in der Zellteilungsphase besonders sensibel ist. Dabei wird die zu verabreichende Dosis auf mehrere Male verteilt appliziert, wobei das gesunde Gewebe gegenüber den Tumorzellen wesentlich schneller regeneriert (Neff, 2005, S. 3).

Um den erwünschten therapeutischen Effekt zu erzielen gibt es mehrere Möglichkeiten. Meistens wird mit Photonenstrahlung gearbeitet, die von einem sogenannten Linearbeschleuniger (linear accelerator = Linac) erzeugt wird (Abbildung 1). Während einer Bestrahlung rotiert die Gantry des Linearbeschleunigers um das Isozentrum des Tumorvolumens. Mit Hilfe von eingebauten Multi-Leaf-Kollimatoren und Blenden kann das individuelle planning target volume sehr genau bestrahlt werden (Neff, 2005, S. 4).

Eine weitere beschriebene Methode der Strahlentherapie ist die Behandlung mit geladenen Teilchen wie Protonen und Kohlenstoffionen, auch Schwerionen genannt. Der Einsatz dieser Methode ist jedoch noch wenig verbreitet, obwohl sie wesentliche Vorteile gegenüber der herkömmlichen Strahlentherapie mit sich bringen (Neff, 2005, S. 4).

Im Zusammenhang damit ist eine präzise Tumorlokalisation durch bildgebende Verfahren unerlässlich. Hierbei hat die Verwendung von multimodalen Geräten für die Planung des Therapievolumens hohes Potential (Schwarzenböck, et al., 2011, S. 99-100). Im Folgenden werden die für die Strahlentherapieplanung eingesetzten bildgebenden Verfahren beschrieben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

A bbildung 1: Linearbeschleuniger Siemens Primus. Die Abbildung zeigt den Linac mit Strahlerkopf und Patientenlagerungstisch (Neff, 2005, S. 4).

2.1 Bildgebende Verfahren in der Strahlentherapieplanung

Zur Visualisierung des Tumorvolumens können unterschiedliche diagnostische Modalitäten herangezogen werden. Grundsätzlich unterscheidet man die strukturelle Bildgebung wie Computertomographie und Magnetresonanztomographie von der molekularen Bildgebung. Beide Verfahren können sowohl gekoppelt oder einzeln eingesetzt werden. Die Vor- und Nachteile der separaten und kombinierten Modalitäten werden in diesem Kapitel erläutert (Pfluger, et al., 2006, S. 159).

2.1.1 Strukturelle Verfahren ─ MRT , CT und Ultraschall

Die Magnetresonanztomographie sowie die Computertomographie zählen beide zu den strukturellen Verfahren. Wesentlich unterscheiden sie sich dadurch, dass die MRT keine Röntgenstrahlen benötigt um Querschnittbilder zu erstellen. Die Erfassung der Bilder erfolgt bei der MRT anhand von künstlich ausgerichteten H+-Dipolen, die durch eine sogenannte Relaxation erfolgt. Wasserstoff (H+) wird als leicht positiv magnetisch beschrieben, wobei im menschlichen Körper Milliarden Wasserstoffmoleküle existieren, jedoch der Körper als Ganzes nicht magnetisch ist. Befindet sich der Körper in einem starken Magnetfeld, werden die Wasserstoffmoleküle antiparallel oder parallel ausgerichtet. Ein sogenannter Ringmagnet beeinflusst die Protonen (H+) im menschlichen Körper und lässt sie nach ihrer Ausrichtung in unterschiedlicher Geschwindigkeit um die eigene Achse drehen. Um eine Resonanz zu erzeugen, werden hochfrequente Radiosignale mit derselben Frequenz, in der sich die Wasserstoffmoleküle drehen, eingespeist. Besitzen die Hochfrequenzimpulse und die Protonen dieselben Frequenz, kann ein Energieaustausch stattfinden. Dies bewirkt eine Anregung von Protonen in einen energiereichen Zustand, wobei ein messbares MR- Signal entsteht. Folglich verlieren sie ihren angeregten Zustand wieder und Energie wird frei. Diese Energieabgabe kann entweder an die Umgebung erfolgen (T1-Relaxation) oder zwischen den Protonenspins stattfinden (T2-Relaxation) (Weishaupt, Köchli, & Marincek, 2002, S. 7-10). Dabei beschreibt die T1-Relaxation die Erholung der Längsmagnetisierung und die T2-Relaxation spiegelt die Transversalmagnetisierung wider. Grundsätzlich unterscheiden sie sich dadurch, dass sie Gewebe unterschiedlich abbilden. Durch diese Daten, die in Form von Signalen von einem Detektor aufgefangen werden, werden Querschnittbilder in Grauwerten erzeugt (Sauer, 1998, S. 257-260).

Ein typisches Charakteristikum der MRT ist die fehlende Exposition mit ionisierender Strahlung, eine Tatsache, die speziell bei Kindern einen wesentlichen Vorteil mit sich bringt. Weiters unterscheidet sich die MRT von anderen Schnittbildverfahren durch den hohen Weichteilkontrast und durch die hohe Sensitivität für pathologische Veränderungen (Pfluger, et al., 2006, S. 160). Durch den höheren Weichteilkontrast im Gegensatz zum CT ermöglicht die MRT eine bessere Unterscheidung zwischen Tumorgewebe und Risikoorganen (Fransson, Andreo, & Pötter, 2001, S. 60).

Dennoch zeichnet sich die MRT auch durch einige negative Eigenschaften aus, wie die höhere Anfälligkeit für Bewegungsartefakte im Gegensatz zur Computertomographie (Pfluger, et al., 2006, S. 160). Ein bedeutender Nachteil der MRT für die Strahlentherapieplanung ist das Fehlen der Elektronendichteinformation des MR-Signals. Im Vergleich zur Computertomographie, die durch Hounsfieldunits charakterisiert ist und dadurch die Berechnung der Dosisverteilung von Photonen im Gewebe erlaubt, fehlt für die Magnetresonanztomographie bisher eine Technik zur Ermittlung der Dichteinformation des MR-Signals für die Strahlentherapieplanung (Fransson, Andreo, & Pötter, 2001, S. 60).

Zusätzlich sollten noch einige Voraussetzungen gegeben sein um den Einsatz der MRT in der Therapieplanung zu ermöglichen. Dazu zählt die genaue geometrische Verlässlichkeit, die speziell bei offenen MRT-Geräten gewährleistet werden sollte. Darüber hinaus müssen die Datensätze unterschiedlicher Modalitäten an verschiedenen Geräten bereit gestellt werden können, zum Beispiel sollten sie am Therapiesimulator abrufbar sein. Um dies zu ermöglichen ist ein speziell dafür entwickeltes Datennetz erforderlich (Schubert, et al., 1999, S. 230).

Um eine genaue Bestrahlungsplanung zu ermöglichen und die Vorteile beider Modalitäten zu nutzen, setzt sich die Verwendung beider Geräte zur Definition des planning target volume (PTV) immer mehr durch. Folglich wurden unterschiedliche Verfahren entwickelt, die es ermöglichen die Information der MRT-Daten in den CT-Datensatz einzubeziehen. Erstmals fand dieses Verfahren bei Tumoren im Kopf-Hals-Bereich Anwendung, jedoch wurden bald auch Möglichkeiten zur Verwendung im Körperstammbereich beschrieben (Schubert, et al., 1999, S. 226). Diese Verfahren ermöglichen es, die Vorteile sowohl der Computertomographie als auch der Magnetresonanztomographie zu nutzen (Jackson & Thomas, 2009, S. 15).

Die Computertomographie charakterisiert sich vor allem dadurch, dass sie in den meisten Krankenhäusern verfügbar ist und die Untersuchungsdauer im Gegensatz zur MRT wesentlich kürzer ist. Außerdem ermöglicht es auch eine ausgezeichnete Bildauflösung vor allem im Knochenbereich, wobei die MRT im Weichteilkontrast nach wie vor überlegen ist (Jackson & Thomas, 2009, S. 15). Weiters wird die CT durch die Möglichkeit der im Nachhinein durchgeführten Schichtrekonstruktion charakterisiert. Dadurch erlaubt es eine Erfassung des Volumens in jeder Richtung sowie eine Rekonstruktion ausgewählter überlappender Schichtdicken an jeder beliebigen Stelle (Nicoletti, Oberladstätter, & König, 2010, S. 213). Dennoch bedingt die Computertomographie eine hohe Strahlenexposition (Jackson & Thomas, 2009, S. 15). „Obwohl die CT nur 6,9% der Röntgenuntersuchungen ausmachen, verursachen sie 53,9% der kollektiven Strahlenbelastung“ (Jackson & Thomas, 2009, S. 15). Unterschiedliche Dosisreduktionsverfahren erlauben es, die Strahlenexposition für den Patienten so gering wie möglich zu halten. Zum einen erlaubt die Verwendung dickerer Schichten eine geringere Strahlenbelastung, zum anderen kann eine Anpassung des Röhrenstromes an das Körpergewicht des Patienten eine Dosisreduktion ermöglichen. Eine weitere Maßnahme zur Reduktion der Strahlenexposition wird durch die Anpassung des Röhrenstroms entlang der Körperachse erzielt. Das bedeutet, dass für eine Körperregion, beispielsweise für den Schädel, ein geringerer Röhrenstrom gewählt werden sollte, als für den Thoraxbereich oder das Abdomen. Genauso sollte eine Anpassung des Röhrenstroms während einer Rotation erfolgen. Das heißt, wenn der Strahlengang anterior-posterior verläuft ist ein geringerer Röhrenstrom zu wählen, als wenn sich die Röhre seitlich des Patienten befindet (Nicoletti, Oberladstätter, & König, 2010, S. 216). Wird jedoch die CT in Form eines Hybridgeräts zur Messung der Schwächungskorrekturdaten verwendet, so reicht ein sogenanntes Low-Dose CT. Dadurch wird die Dosis für den Patienten erheblich reduziert (Nicoletti, Oberladstätter, & König, 2010, S. 222-223).

Grundsätzlich bietet die Computertomographie die Möglichkeit, den menschlichen Körper in unterschiedlich dicken Querschnittbildern darzustellen. Sie unterscheidet sich von der Projektionsradiographie dadurch, dass Gewebestrukturen nicht übereinander projiziert werden (Jackson & Thomas, 2009, S. 253). Diese Unterschiede zum konventionellen Röntgen ergeben sich dadurch, dass die Röntgenröhre um den Patienten rotiert und somit eine dreidimensionale Darstellung ermöglicht. Dafür ist der Röntgenstrahlenfächer so groß, dass der gesamte Patientenquerschnitt auf einmal erfasst wird. Somit detektiert die Röntgenröhre mittels ihrer gegenüberliegenden Detektoren während einer kontinuierlichen Rotationsbewegung die Röntgenstrahlen (Abbildung 1) (Nicoletti, Oberladstätter, & König, 2010, S. 210-211).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

A bbildung 2: Röntgenröhre mit gegenüberliegenden Detektoren. Der Röntgenstrahlfächer ist so groß, dass ein gesamter Patientenquerschnitt erfasst werden kann (Nicoletti, Oberladstätter, & König, 2010, S. 211 ).

Die am Detektor empfangenen Röntgenstrahlen, die den menschlichen Körper durchdringen, werden durch Dichtevariationen unterschiedlich geschwächt. Um für jedes Volumenelement ein Schwächungsprofil erstellen zu können, muss dieser Vorgang aus verschiedenen Richtungen wiederholt werden (Abbildung 2) (Nicoletti, Oberladstätter, & König, 2010, S. 210-211).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

A bbildung 3: Erfassung eines Schwächungsprofils. Die unterschiedlich geschwächten Röntgenstrahlen ergeben ein Schwächungsprofil (Nicoletti, Oberladstätter, & König, 2010, S. 210).

Das so entstandene Schwächungsprofil wird in Form von unterschiedlichen Grauwerten dargestellt. Da das menschliche Auge nur etwa 100 Graustufen unterscheiden kann, hat sich die Verwendung einer sogenannten Fensterung als sinnvoll erwiesen. Abhängig von der dargestellten Struktur haben sich für verschiedene Körperregion entsprechende Fenster etabliert (beispielsweise das Lungenfenster), wobei hier die Lage des Zentrums und die Breite definiert werden. So wird etwa die Lunge mit dem Zentrum (center = C) -720 HU und der Breite (width = W) 750 HU dargestellt. Die Einheit dieser Information wird in Hounsfield-Units (HU) angegeben, wobei niedrigere HU dunklen Grauwerten und hohe HU hellen Grauwerten entsprechen. Das bedeutet, dass alle Werte oberhalb der Fenstergrenze als weiß abgebildet werden und die Werte unterhalb der Fenstergrenze als schwarz dargestellt werden (Abbildung 3) (Nicoletti, Oberladstätter, & König, 2010, S. 218).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

A bbildung 4: Fensterung unterschiedlicher Körperregionen in Hounsfield-Units (Nicoletti, Oberladstätter, & König, 2010, S. 218).

Eine weitere in der Strahlentherapieplanung eingesetzte Modalität ist die Sonographie. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass sie im Gegensatz zu allen bisher beschriebenen Geräten die kostengünstigste Lösung ist, um einen Tumor zu diagnostizieren. Außerdem wird die Sonographie dadurch gekennzeichnet, dass sie jederzeit einsetzbar ist. Als weiterer Vorteil wird die unproblematische Ausmessung von zum Beispiel der Brustwanddicke bei einer Mammakarzinombestrahlung beschrieben. Der Nachteil dieser Modalität wiederum ist die schwierige Reproduzierbarkeit der Strahlrichtung (sagittal, transveral oder schräg) (Sauer, 1998, S. 256). Außerdem charakterisiert die Sonographie ihre geringe Sensitivität und Spezifität, wodurch der Ultraschall meist nur zur Verlaufskontrolle oder zur Bestätigung rezidivverdächtiger Befunde verwendet wird (Heywand-Köbrunner & Schreer, 1996, S. 425).

Am häufigsten wird die Ultraschalltomographie in der Hals-, Extremitäten- und Abdomendiagnostik angewendet. Dazu sendet der Schallkopf akustische Signale aus, die von den verschiedenen Gewebsarten und Organen unterschiedlich reflektiert, gestreut oder absorbiert werden. Daraufhin empfängt der Schallkopf das reflektierte Signal. Grundsätzlich funktioniert die Sonographie durch Umwandlung von elektrischen Signalen in mechanische Signale. Das bedeutet, dass ein Signal durch kinetische Energie zwischen Teilchen weitergegeben wird (Sauer, 1998, S. 252-253).

Problematisch ist die Signalübertragung bei Geweben mit sehr hohen sogenannten Impedanzunterschieden, wodurch eine Darstellung anhand der Ultraschalltomographie von beispielsweise der Lunge nicht möglich ist (Abbildung 4) (Sauer, 1998, S. 252-253). Durch diesen Impedanzunterschied kann in der Ultraschalldiagnostik zwischen zwei benachbarten Organstrukturen unterschieden werden, wobei zwei verschiedene Gewebearten den Ultraschall unterschiedlich reflektieren (Konermann & Gruber, 2012, S. 4).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

A bbildung 5: Funktionsweise des Sendens und Empfangens des Schallkopfes. Ausgesendete Schallwellen werden absorbiert, reflektiert (blaue Pfeile) oder gestreut (Sauer, 1998, S. 253).

2.1.2 Funktionelle Verfahren ─ PET-CT und PET-MR

Das Ziel einer präzisen Strahlentherapie liegt darin, das Zielvolumen mit höchst möglicher Dosis zu bestrahlen und das umliegende gesunde Gewebe maximal zu schonen. Folglich wird dadurch das Auftreten von Nebenwirkungen erheblich gesenkt. Unterschiedliche in der modernen Strahlentherapie zum Einsatz kommende Techniken ermöglichen die Anwendung dieses hochpräzisen Behandlungskonzeptes. Zu diesen Methoden, die eine exakte Anpassung der Dosisverteilung erlauben, zählen die Stereotaxie, die Radiochirurgie sowie die Brachytherapie (Grosu, Krause, & Nestle, 2006, S. 151-152).

Im Zusammenhang damit ist eine genaue Definition des Zielvolumens und die Beurteilung der Tumorbiologie für eine exakte Bestrahlungsplanung erforderlich. Für diese präzise Tumorlokalisation ist der Einsatz der modernen multimodalen Bildgebung unerlässlich. Das Einbeziehen funktioneller bildgebender Verfahren, wie der Positronenemissiontomographie (PET), in die Strahlentherapieplanung erlaubt eine präzise Visualisierung der Tumorgrenzen. Einen hohen Stellenwert bei der Diagnose von Lungentumoren hat etwa der Einsatz der [18F]-FDG-PET, speziell bei der Diagnose von pathologischen Lymphknoten sowie bei der Abgrenzung zwischen Atelektase und Tumor (Abbildung 6) (Grosu, Krause, & Nestle, 2006, S. 151-152).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

A bbildung 6: Darstellung eines NSCLC im CT und im fusionierten PET/CT. Das linke Bild zeigt keine Unterscheidung zwischen dem Tumorgewebe und der Atelektase wobei das fusionierte Bild rechts die Abgrenzung zwischen den Pathologien ermöglicht (Mohnike, Hör, & Heinreich, 2011, S. 1157).

Außerdem ist die PET durch Aminosäuren-Tracer bei hochgradigen Gliomen und Meningeomen dem CT und MRT überlegen, da es eine genauere Abgrenzung zwischen Tumor und gesundem Gewebe im Gehirn ermöglicht. Des Weiteren ist die funktionelle Bildgebung bei der differentialdiagnostischen Unterscheidung zwischen Primärtumor oder Rezidivtumor und einer Nekrose nach erfolgter Therapie präziser (Grosu, Krause, & Nestle, 2006, S. 151-152).

Zusammenfassend kann multimodale Bildgebung für die moderne Strahlentherapie nützliche zusätzliche Information liefern:

- höhere Sensitivität und Spezifität für Tumorgewebe im Unterschied zu konventionellen strukturellen Methoden
- Visualisierung von besonders aggressiven und dadurch strahlenresistenten Tumorarealen im Zielvolumen durch die biologische Information

Hierdurch kann eine optimale Dosisverteilung geplant werden, die dann schließlich die Anwendung der intensitätsmodulierten Strahlentherapie (IMRT) ermöglicht. Die Methode der IMRT erlaubt eine punktuelle Dosisverteilung im Zielvolumen, wobei strahlenresistente Subvolumina mehr Dosis erhalten als das restliche Tumorgewebe. Diese inhomogene Dosisverteilung nennt man Dose Painting. (Grosu, Krause, & Nestle, 2006, S. 152-153). Durch die Darstellung der Subvolumina gelingt es außerdem die Reparaturfähigkeit der Zellen zwischen den Fraktionen, die Zellzyklusverteilung und die Tumorhypoxie zu visualisieren. Dadurch erfolgt nicht nur eine bessere räumliche Dosisverteilung („Dose painting“), sondern folglich wird auch eine biologisch rationale Bestrahlung durch einen simultan integrierten boost (SIB) ermöglicht (Mohnike, Hör, & Heinreich, 2011, S. 1156).

Zum Boost-Volumen zählt der Primärtumor und evtl. befallene Lymphknoten (Wannenmacher, Debus, & Wenz, 2006, S. 398). Laut Mohnike et al. (2011) sind momentan in Europa 440 PET-CT-Geräte für circa 493 Mio. Einwohner verfügbar im Vergleich dazu sind es in den USA 400 PET-CT Modalitäten für 303 Mio Einwohner (Stand 2010). „Eine 2004 veröffentlichte Ulmer Studie bestätigt, dass PET-CT mindestens 13% der Tumorrezidive erfasst, die im Alleingang der bildgebenden Diagnostik übersehen worden wären“ (Mohnike, Hör, & Heinreich, 2011, S. 3). Kombinationsgeräte wie PET-CT sind in der heutigen Strahlentherapieplanung kaum noch wegzudenken.Tabelle 1 veranschaulicht die Defizite der alleinigen PET- bzw. CT-Bildgebung (Mohnike, Hör, & Heinreich, 2011, S. 3-4).

Tabelle 1: Defizite der alleinigen PET und CT Bildgebung. Es wird deutlich, dass die alleinige PET sowie CT Bildgebung viele Nachteile mit sich bringt (Mohnike, Hör, & Heinreich, 2011, S. 3-4).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Eine Alternative zum kombinierten PET-CT Gerät ist die meist billigere Version des getrennten CT- und PET- Gerätes. Bei dieser Möglichkeit der multimodalen Bildgebung werden jedoch Defizite bei der Registrierung des CT-Datensatzes und des PET- Datensatzes beschrieben. Zum einen kann es durch einen inkorrekten mathematischen Abgleich der Algorithmen zum Irrtum kommen, zum anderen führen physiologische Unterschiede wie beispielsweise die unterschiedliche Blasen- oder Darmfüllung zu Fehllokalisationen. Das Kombinationsgerät kann folgende Defizite ausgleichen (Mohnike, Hör, & Heinreich, 2011, S. 4):

- ermöglicht die Darstellung einer kombinierten anatometabolische Bildgebung
- perfektioniert die Therapiestrategie
- erlaubt eine Responsekontrolle
- durch die molekulare Bildgebung wird die Strahlentherapieplanung optimiert
- vermindert die Wahrscheinlichkeit des inkorrekten Stagings (Mohnike, Hör, & Heinreich, 2011, S. 4)

Weiters bringt die kombinierte PET-CT Modalität den Vorteil mit sich, dass beide Untersuchungen simultan akquiriert werden. Hierdurch muss der Radiologe bzw. die Radiologin nur einen Befund erstellen und der Patient muss nur einmal positioniert werden (Mohnike, Hör, & Heinreich, 2011, S. 14).

Die PET-Bildgebung beschäftigt sich wie schon erwähnt ganz im Gegenteil zur morphologischen Bildgebung mit der Funktion von Organen und Geweben. Um diese biochemischen Vorgänge in-vivo darstellen zu können, nutzt die Nuklearmedizin das radioaktive Tracerprinzip. Dabei wird dem Patienten ein Radiopharmakon intravenös verabreicht und anhand der vom Isotop emittierten Strahlung der Metabolismus von außen verfolgt (Mohnike, Hör, & Heinreich, 2011, S. 8). Die PET-Bildgebung nutzt die Tatsache, dass ein Elektron und ein Positron, sozusagen ein Teilchen und sein Antiteilchen, nicht nebeneinander bestehen können. Dabei werden Gammaquanten in gegengleicher Richtung von je 511 keV jeweils im Winkel von 180 Grad mit Lichtgeschwindigkeit emittiert. Dieses Ereignis nennt sich aufgrund der Vernichtung des Positrons und Elektrons Vernichtungsstrahlung oder auch Annihilationsprozess

(Abbildung 7) (Schicha & Schober, Nuklearmedizin Basiswissen und klinische Anwendung, 2003, S. 66).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

A bbildung 7: Vernichtungsstrahlung in der Positronenemissionstomographie. Durch die Applikation eines speziellen Tracers (ß+-Strahler) werden Positronen emittiert, welche mit Elektronen wechselwirken. Folglich kommt es zur Annihilation von Positronen und Elektronen unter diametraler Emission zweier Gammaquanten. Diese werden am jeweils gegenüberliegenden Detektor (D1 und D2) gemessen und weisen eine Energie von 511 keV auf (Mohnike, Hör, & Heinreich, 2011, S. 8).

Die Vernichtungsquanten stammen nur unter bestimmten Voraussetzungen vom gleichen Zerfallsereignis:

- beide Gammaquanten werden in einem engen Zeitfenster detektiert
- die Gammaquanten werden in entgegengesetzter Richtung voneinander gemessen, das heißt in einem Winkel von 180°

Diese beschriebenen Kriterien sind notwendig, um wahre Koinzidenzen (trues) von Artefakten zu differenzieren. Zufällige Ereignisse (randoms) oder auch gestreute Koinzidenzen (scatter) tragen zu einer Verfälschung der wahren Tracerverteilung im Körper bei (siehe Abbildung 8) (Mohnike, Hör, & Heinreich, 2011, S. 11).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

A bbildung 8: Messereignisse in der PET. Ein am Detektor gemessenes Ereignis setzt sich aus zwei detektierenden Gammaquanten (S=Singles) zusammen und muss gewissen Anforderungen entsprechen. Von einer wahren Koinzidenz (trues) ist dann zu sprechen, wenn sie aus einem einzigen Annihilationsereignis (A) stammen. Randoms werden detektiert, wenn zwei Annihilationen im gleichen Zeitfenster stattfinden und dann fälschlicherweise als ein Ereignis detektiert werden. Scatter Koinzidenzen werden dann beschrieben, wenn im durchstrahlten Volumen ein oder mehrere Streuereignisse gleichzeitig (grüner Punkt) stattfinden. Hierdurch kommt es zu einer Fehllokalisation des Annihilationsprozesses (Mohnike, Hör, & Heinreich, 2011, S. 11).

Alle Messergebnisse werden unter Berücksichtigung der Entfernung auf einer bestimmten Koinzidenlinie in Bezug auf das Zentrum des Detekorringes mittels eines Sinogramms (Art Koordinatensystem) dargestellt. Um eine absolute Quantifizierbarkeit zu erreichen muss eine Multiplikation des Sinogramms mit einem Schwächungskorrekturfaktor stattfinden. Anschließend werden PET-Bilder rekonstruiert und hinterher wird eine gefilterte Rückprojektion durchgeführt, um den in-vivo Metabolismus in der untersuchten Region kontrastreich darstellen zu können (Mohnike, Hör, & Heinreich, 2011, S. 11-12).

Hierdurch hat die Kombination von PET und CT nicht nur den Vorteil der Bildfusion der CT und PET-Datensätze, sondern es können die CT-Transmissionsbilder auch zur Schwächungs- und Streukorrektur der PET-Datensätze verwendet werden (Abbildung 9) (Mohnike, Hör, & Heinreich, 2011, S. 15-16).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

A bbildung 9: Vergleich der Schwächungskorrektur bei alleiniger PET und PET-CT. Bild a zeigt die Transmissionsmessung (TX) anhand der Positronemissionstomographie. Dazu läuft der Tisch mit einem überlappenden Tischvorschub durch die Gantry. In der PET-CT (Bild b) wird der Patient mit einem kontinuierlichen Tischvorschub durch die Gantry bewegt, wobei die Emission anhand der PET und die Transmission durch das CT durchgeführt wird. Die alleinige PET benötigt etwa 30 min länger, um die Datensätze zu errechnen als das kombinierte Verfahren (Mohnike, Hör, & Heinreich, 2011, S. 16).

Die Tatsache, dass die CT-Transmissionsdaten in der PET-CT verwendet werden, bringt den Vorteil mit sich, dass die kombinierte Methode im Gegensatz zur alleinigen PET die Untersuchungszeit auf bis zu 40 % reduziert (Abbildung 8). In der Literatur wird zudem beschrieben, dass es durch die Traceraktivität im Patienten zu keiner Verunreinigung der CT-Transmissionsmessung kommen kann. Das beruht auf der Tatsache, dass die CT- Schwächungskoeffizienten (drückt aus wie sehr die Strahlung beim Durchdringen von Materie absorbiert wird) mit einer Energie von 30-140 keV auf eine höhere Energie von 511 keV transformiert werden (Abbildung 10) (Mohnike, Hör, & Heinreich, 2011, S. 16-17).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

A bbildung 10: Transformation der CT-Schwächungskoeffizienten. Die CT-Schwächungswerte werden anhand eines Skalierungsfaktors auf eine Energie von 511 keV transformiert (Mohnike, Hör, & Heinreich, 2011 , S. 17).

Diese Methode der Verwendung der CT-Transmissionsdaten für die Positronenemissionstomographie hat in der Onkologie immer mehr an Bedeutung gewonnen, was zu Zeiten der alleinigen PET-Untersuchung nicht der Fall war (Mohnike, Hör, & Heinreich, 2011, S. 16). Dadurch stieg das Interesse an der kombinierten PET-CT Modalität sowie an einer rauscharmen Schwächungskorrektur sprunghaft. Nicht nur die Verwendung der CT-Schwächungskoeffizienten für die verbesserte Bildgebung entwickelte sich, sondern es wurde auch der Einsatz der kombinierten PET-CT Modalität anstatt der Einzelkomponenten des PET-CT-Prototypen eingeführt. Dadurch wurde auch die Entwicklung einer exakten Patientenlagerungsmöglichkeit gefordert. Durch die transversale Versetzung der beiden Komponenten erfordert die Konstruktion der Patientenliege, dass es zu keiner fehlerhaften senkrechten Registrierung kommt, wie es beim Prototypen der Fall war (Mohnike, Hör, & Heinreich, 2011, S. 17).

Weiters charakterisiert sich der Prototyp-PET-CT durch die eingeschränkte Verwendung der Lagerungshilfen in der Strahlentherapieplanung. Hierzu konnten Patienten wegen des geringen Gantrydurchmessers nicht mit ihren Lagerungshilfen (Vakuumpolster, Armlagerungen) positioniert werden. Zusätzlich war die Bildgebung bei großen Patienten problematisch, da es zu Abschneideartefakten kam, die durch den Einsatz der CT-Bilder zur Schwächungskorrektur und anschließende fehlerhafte Rekonstruktion der Datensätze verursacht wurden (Mohnike, Hör, & Heinreich, 2011, S. 18-19).

Trotz allem ist für die optimale Bildgebung durch die kombinierte PET-CT Methode die Kenntnis der korrekten Lagerung unentbehrlich. Die PET-CT Untersuchung beruht auf dem Untersuchungsschema der PET-Ganzkörperuntersuchung. Hierzu wird der Patient in Rückenlage mit über dem Kopf gelagerten Armen auf dem Patientenlagerungstisch positioniert. Mittels der Computertomographie wird ein Topogramm mit kontinuierlichem Tischvorschub aufgenommen. Das CT nutzt die Tatsache, dass anhand des Topogrammes die zu untersuchende Region genau definiert werden kann. Dieser Bereich bestimmt sowohl für die CT als auch für die PET die Untersuchungslänge der axialen Schichtführung. Mittels diesem definierten Bereich wird die exakte Fusionierung der PET- und CT- Datensätze ermöglicht. Folglich wird der Patientenlagerungstisch in Ausgangsposition geschoben und ein low-dose-CT als Einzelspirale erfolgt. Im Anschluss an die Computertomographie wird der Patient in die hintere PET-Komponente geschoben, in welcher die Emissionsmessung stattfindet. Die Dauer einer PET-CT-Untersuchung variiert und richtet sich nach der applizierten Dosis und der Größe des Patienten, wobei die alleinige CT-Untersuchung unabhängig von der applizierten Aktivität circa eine Minute in Anspruch nimmt (Mohnike, Hör, & Heinreich, 2011, S. 25).

Nicht nur die PET-CT ermöglicht die Fusion radiologischer und nuklearmedizinischer Verfahren, sondern auch die PET-MR erlaubt die Verknüpfung zweier grundlegend verschiedener Modalitäten. Durch die Kombination der anatomischen Bildgebung und des molekularen Verfahrens wurde ein Meilenstein in der Medizintechnik gesetzt. Durch den Einsatz der Hybridbildgebung ergeben sich eine Menge an diagnostischen Möglichkeiten und parallel dazu neue Herausforderungen in der Bildanalyse (Gatidis, Schmidt, Claussen, & Schwenzer, 2013, S. 669). Insbesondere ermöglicht die PET-MR folgende Vorteile im Vergleich zur PET-CT:

- höherer Weichteilkontrast. Einige Tumorentitäten lassen sich mittels MRT besser unterscheiden als mittels CT.
- reduzierte Strahlenexposition. Die MRT verwendet keine ionisierende Strahlung, ein Fakt das besondere Bedeutung bei Kindern und Patienten mit mehreren Folgeuntersuchungen hat.
- gleichzeitige Akquisitionen. Im Gegensatz zu sequentiellen Akquisitionen beim kombinierten PET-CT, ermöglicht die integrierte PET-MR eine echte zeitgleiche Akquisition der Bildinformationen.
- MR-basierte Bewegungskorrektur. Durch die gleichzeitige Erfassung und das Fehlen ionisierender Strahlung können Echtzeit-MRT-Daten verwendet werden, um die Bewegung des Patienten während der PET-Akquisition zu berücksichtigen.
- erweiterte MRT-Sequenzen. Die MRT bietet zusätzliche Informationen durch spezielle Messungen, wie der funktionellen MRT, der Diffusion, der Perfusionsbildgebung sowie der Spektroskopie. Dies kann relevante Informationen zu den Funktionsmessungen der PET hinzufügen (Guissani & Hoeschen, 2013, S. 61).
- Gewebecharakterisierung. Durch die MRT-Bildgebung wird die Gewebecharakterisierung der PET-Information ermöglicht (Nicoletti, Oberladstätter, & König, 2010, S. 229).

Neben diesen positiven Aspekten des PET-MR´s hat sich als besondere technische Problematik die Koppelung beider Systeme erwiesen. Eine unvermeidliche Bedingung dabei ist, dass beide Modalitäten einander nicht beeinflussen. Insbesondere muss das PET-Gerät auf die wachsende magnetische Feldstärke abgestimmt werden. Dieser Limitation liegt die Tatsache zugrunde, dass die bisher verwendeten Photomultiplier empfindlich auf Magnetfeldeinflüsse reagieren. Mittels genügend Abstand zwischen PET- Gerät und MRT-System kann das Problem gelöst werden. Wobei das Ziel der kombinierten Modalitäten die tatsächliche Koppelung des PET und MRT Systems ist. Hierbei können als Alternative andere Bauteile verwendet werden. Eine Option ist beispielsweise die Verwendung von Silikonphotomultipliern oder der Einsatz von Lichtleitern, die das gewonnene Szintillationslicht aus dem Magnetfeld herausführen. In diesem Kontext nutzt die konzentrische Anordnung zweier komplett unterschiedlicher Modalitäten die Möglichkeit einer simultanen Messung mit zwei Systemen, wobei die Schwierigkeit dabei die Erhaltung der hervorragenden Fähigkeiten der Einzelkomponenten im Gesamtsystem ist. Weiters wird die nicht perfekte Ortstreue von MRT-Geräten als problematisch beschrieben. Eine weitere Limitation ist der hohe Zeitaufwand der Akquisition der MRT-Bilddatensätze. Hierdurch wird sich der Einsatz des PET-MR in der Humanmedizin vermutlich nur für kleine Untersuchungsregionen etablieren (Nicoletti, Oberladstätter, & König, 2010, S. 228-229). Wie schon erwähnt besteht die Möglichkeit der simultanen PET-MR Messung oder der sequentiellen Messung. Diese beiden Verfahren unterscheiden sich dadurch, dass beim sequentiellen Verfahren beide Messungen ähnlich wie bei der PET-CT hintereinander stattfinden und die simultane Messung zeitgleich in einem Gerät stattfindet. (Abbildung 11) (Schwenzer, Pfannenberg, Reischl, Werner, & Schmidt, 2011, S. 782).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

A bbildung 11:Sequentielles Verfahren im Vergleich zur simultanen Datenakquisition. Beim sequentiellen Verfahren sind beide Modalitäten voneinander getrennt, der Patient liegt auf einem Patientenlagerungstisch und wird von einem Gerät ins andere transferiert (Bild a). Bei der simultanen Messung sind beide Modalitäten in einer Gantry vereint (Bild b) (Schwenzer, Pfannenberg, Reischl, Werner, & Schmidt, 2011, S. 782).

Die Möglichkeit des sequentiellen Verfahrens erlaubt die PET- und MRT-Modalität voneinander zu trennen. Die Magnetfeldstärkeder MRT-Komponente fällt schon nach wenigen Metern stark abweshalb die Positionierung der konventionellen PET-Modalität und des MRT-Gerätes innerhalb des gleichen Raumes möglich ist. Dadurch kann der Patient beide Untersuchungen zwar nicht zeitgleich, aber am gleichen Lagerungstisch hintereinander durchlaufen (Schicha & Schober, 2013, S. 104). Insbesondere hat sich beim sequentiellen Messverfahren der Vorteil der vereinfachten Gerätetechnologie etabliert. Das bedeutet, dass hierbei keine schwerwiegenden gerätetechnischen Änderungen vorgenommen werden müssen. Zwar müssen die Modalitäten trotz allem über eine geeignete Abschirmung verfügen, um sich gegenseitig nicht zu beeinflussen, jedoch kann hier auf eine neue Detektortechnologie verzichtet werden. Hierdurch können die enormen Anschaffungskosten reduziert werden. Weiters hat sich die Wartung der getrennten Modalitäten als kostengünstiger erwiesen. Im Hinblick auf die in der MRT verwendeten Spulen wird beim sequentiellen Verfahren ein weiterer Vorteil beschrieben. Hierbei wird die Verwendung der herkömmlichen vorhandenen Spulen ermöglicht, wobei bei der simultanen Modalität eine schwächungsoptimierte Spulenausstattung eingesetzt werden muss (Schwenzer, Pfannenberg, Reischl, Werner, & Schmidt, 2011, S. 782-783).

Andererseits bringt das simultane Verfahren den Vorteil mit sich, dass die anatometabolischen Daten gleichzeitig aufgenommen werden können. Diese multimodale Bildgebung hat sich insbesondere in der Hirnforschung und in der Onkologie als sinnvoll erwiesen. Dabei kann der zeitgleiche Einsatz der gegensätzlichen Systeme (Abbildung 12) die Gewebeeigenschaften des Tumors optimal visualisieren.

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