Towards Computed Tomography-based Adaptive Brachytherapy
Entwicklungen auf dem Weg zur Computertomographie-gestu tzten adaptiven Brachytherapie
Creators: name: Karius, Andre
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2023

description: Computed tomography (CT) represents a tremendous cornerstone of modern brachytherapy. The three-dimensional visualization of applicators in-situ enabled with this modality has been established as important foundation for precise and anatomically adapted treatment planning. In recent years, particularly imaging-based adaptive workflows have gained rising importance. This refers, on the one hand, to an individualization of implantations based on intraoperative imaging. On the other hand, imaging-based quality assurance (QA) during the treatment course, which allows for therapy adaptions by detecting variations of applicator locations with respect to patient anatomy, finds increasing clinical application as well. The focus of the present doctoral thesis was on the introduction, QA, and utilization of various CT techniques for adaptive brachytherapy. In particular, a novel, mobile cone-beam CT system for imaging directly on the ward was fully clinically implemented worldwide first. Its imaging performance was profoundly characterized, forming the basis for the subsequent clinical usage. In this respect, an evaluation of the device’s suitability for imaging-based adaptive workflows for gynecologic and breast brachytherapy was conducted. For breast patients, an image quality sufficient for treatment QA was achieved, whereas substantial limitations were observed for gynecologic patients. Furthermore, a QA procedure for ensuring the system’s performance stability in clinical operation was developed, concomitant with an assessment of its long-term stability. The latter revealed a reasonable stability of image quality over time, whereas hardware features as lasers still require significant improvements. Moreover, this thesis advanced the developments of new CT techniques. New approaches for imaging laterally extended field of views were described and validated for the first time. With these methods an image quality comparable to conventional scanning techniques was achieved. In addition, the comprehensive QA of a novel algorithm for four-dimensional CT (4DCT) was conducted, which showed a substantial reduction of artifacts and a high imaging fidelity compared to previous 4DCT approaches. These investigations formed the basis for the future utilization of these scanning techniques for adaptive brachytherapy. In further studies, the clinical benefits of CT imaging for adaptive breast and prostate brachytherapy were elaborated. For breast patients, an extensive CT-based analysis of implant variations during the treatment course and a first-time quantification of underlying causes was performed. Based on this, a decision-tree for detecting the necessity for therapy adaptions was established. A new treatment workflow, for which an enhanced stability of the catheter arrangement was obtained, was introduced. For prostate brachytherapy, the displacements of implanted seeds were comprehensively assessed, whereby potential measures for improving implant stability were identified as well. It was observed that seed displacements may mainly originate from implantation uncertainties, and adaptive interventions by utilizing CT were suggested to conceivably increase treatment quality further. In summary, new CT technologies were introduced and the use as well as benefits of CT for brachytherapy of various entities were described. The clinical advantages of establishing CT-based adaptive brachytherapy workflows were comprehensively presented.
description: Die Computertomographie (CT) bildet einen immensen Grundpfeiler der modernen Brachytherapie. Die hiermit ermöglichte dreidimensionale Darstellung von Applikatoren in-situ für eine präzise, anatomisch angepasste Bestrahlungsplanung hat sich als wichtige Grundlage entsprechender Behandlungen etabliert. In den letzten Jahren haben zudem bildgebungsbasierte adaptive Workflows erheblich an Bedeutung gewonnen. Dies betrifft zum einen die Individualisierung von Implantationen mittels intraoperativer Bildgebung. Zum anderen finden auch bildgebungsbasierte Qualitätssicherungen (QS) während des Behandlungsverlaufs, welche durch die Detektion von Veränderungen der Applikatorlage in Relation zur Patientenanatomie Therapieanpassungen erlauben, vermehrt klinischen Einsatz. Der Fokus dieser Doktorarbeit lag auf der Einführung, der QS und dem Einsatz verschiedener CT-Techniken für die adaptive Brachytherapie. Insbesondere wurde ein neues, mobiles Kegelstrahl-CT-System für die Bildgebung direkt auf der Station weltweit erstmalig vollständig klinisch implementiert. Dessen Bildgebungsperformanz wurde umfangreich charakterisiert, wodurch die Basis für die anschließende klinische Verwendung gelegt wurde. Hierbei erfolgte eine Evaluation der entsprechenden Eignung für bildgestützte adaptive Workflows für die gynäkologische und Brust-Brachytherapie. Für Brust-Patientinnen wurde eine für die QS der Behandlung ausreichende Bildqualität erzielt, wohingegen deutliche Limitationen in dieser Hinsicht für gynäkologische Patienten beobachtet wurden. Zudem wurde eine QS-Prozedur zur Gewährleistung der Performanzstabilität des Systems im klinischen Betrieb entwickelt, einhergehend mit einer Bewertung seiner Langzeitstabilität. Dabei zeigte sich hinsichtlich der Bildqualität eine befriedigende Stabilität über den zeitlichen Verlauf, jedoch erfordern Hardware-Bausteine wie etwa Laser noch immer erhebliche Verbesserungen. Des Weiteren beschäftigte sich die Arbeit mit der Entwicklung neuer CT-Techniken. So wurden neue Ansätze zur Bildgebung eines lateral vergrößerten Scanfelds erstmals beschrieben und validiert. Dabei wurde eine zu konventionellen Scantechniken vergleichbare Bildqualität erzielt. Außerdem wurde die umfassende QS eines neuartigen Algorithmus für die vierdimensionale CT (4DCT) durchgeführt, welcher eine deutliche Reduktion von Artefakten und ein hohes Maß an Abbildungstreue im Vergleich zu vorherigen 4DCT Ansätzen ermöglichte. Diese Untersuchungen bildeten die Basis für den zukünftigen Einsatz dieser Scantechniken in der adaptiven Brachytherapie. Anschließend wurde der klinische Nutzen der CT Bildgebung für die adaptive Brust- und Prostata-Brachytherapie herausgearbeitet. Für Brust-Patientinnen erfolgte eine extensive CT-basierte Analyse von Implantatveränderungen während des Behandlungsverlaufs mit einer erstmaligen Quantifizierung der zugrundeliegenden Ursachen. Darauf basierend wurde ein Entscheidungsbaum zur Detektion der Notwendigkeit für Therapieanpassungen etabliert. Zudem wurde ein neuer Behandlungsworkflow eingeführt, für den eine verbesserte Stabilität des Katheterarrangements nachgewiesen wurde. Für die Prostata-Brachytherapie erfolgte eine umfangreiche Bewertung der Verschiebungen implantierter Seeds, wodurch ebenso potentielle Maßnahmen zur Verbesserung der Implantatstabilität identifiziert wurden. Es wurde beobachtet, dass Seed-Verschiebungen vor allem in Implantationsunsicherheiten begründet zu sein scheinen und adaptive Interventionen mittels CT die Behandlungsqualität unter Umständen weiter steigern könnten. Zusammenfassend wurden somit neue CT-Technologien eingeführt sowie der Einsatz und die Notwendigkeit der CT für die Brachytherapie verschiedener Entitäten beschrieben. Der klinische Nutzen der Etablierung CT-basierter adaptiver Brachytherapie-Workflows wurde umfassend dargelegt.