title: Optimization of Magnetic Resonance Imaging in Radiation Oncology
title: Optimierung der Magnetresonanztomographie in der Radioonkologie
Creators: name: Grigo, Johanna
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024
Subjects: subject: Magnetic Resonance Imaging
subject: DDC Classification::6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::61 Medizin und Gesundheit::610 Medizin und Gesundheit

description: Background and objectives: Magnetic resonance imaging (MRI) offers significantly better soft-tissue contrast than computed tomography (CT). Therefore, the integration of MRI into radiotherapy is becoming increasingly crucial. However, since MRI images for diagnostic purposes usually have lower geometric accuracy than what is required for radiotherapy planning, MRI must be optimized for its use in radiotherapy. This work aims to optimize and establish the use of MRI as an imaging technique with superior soft-tissue contrast, both in combination with CT and as part of a so-called magnetic resonance-only (MRI-only) workflow in which MRI completely replaces CT. Methods: For the successful integration of MRI into the radiotherapy chain, a high geometric accuracy of the recorded images is essential. For this purpose, a guideline for stereotactic radiotherapy first defines requirements for MRI in radiotherapy and introduces parameters whose optimization leads to a significant improvement in geometric accuracy. For example, patient positioning in the MRI, as well as the sequences and their parameters, are defined. In addition, a phantom is being developed to test the integration of the MRI into the radiotherapy chain. The aim of developing this phantom is to enable the assessment of the geometric accuracy of the MRI, the registration between MRI and CT, and the complete subsequent radiotherapy chain. In addition, based on the defined requirements for MRI devices for radiotherapy, a new 0.55 T MRI system is being investigated for its usability for radiooncological imaging in the head region. In principle, CT and MRI must be registered with each other, as the CT is required for dose calculation. The resulting registration uncertainties can be avoided by introducing a solely on MRI-based workflow. Therefore, methods are subsequently presented and discussed, such as the generation of synthetic CTs (sCT) from MRI images in order to develop an MRI-only workflow, a workflow based only on MRI images. Results and observations: To enable the use of MRI images for radiotherapy planning, it is important to have high geometric accuracy of the images, which are corrected for distortions of gradient non-linearities and also optimized for susceptibility-related distortions and chemical shift artifacts in terms of their bandwidth. Furthermore, the positioning of the patient in the radiotherapy position is important. It is shown that novel 0.55 T MRI systems can also generate sufficiently high-resolution and accurate images for radiotherapy. Furthermore, it is demonstrated that novel deep learning-based sCTs are capable of enabling an MRI-only workflow for radiotherapy, enabling this technology to be integrated into everyday clinical practice with a prospective clinical study. The MRI-only workflow can also be used in brachytherapy to create post-plans on which both the seeds used for therapy and the surrounding soft tissue are visible in the MRI image. Conclusions and discussion: The increased demands of radiotherapy on MRI imaging can be met if MRI images are acquired in the patient’s radiotherapy position and dedicated radiotherapy planning sequences are used; in addition, the MRI must be regularly quality assured for imaging fidelity. If MRI images fulfill the high accuracy requirements of radiotherapy, they have the potential to replace the images previously taken using CT in an MRI-only workflow. With this workflow, registration uncertainties can be avoided because sCTs are generated directly from MRI images using deep learning. Therapy in the brain based on the MRI-only workflow is feasible, as retrospective analyses have shown that sCTs can be used for dose calculation and daily positioning. The MRI-only workflow is therefore being integrated into everyday clinical practice in a controlled clinical study. The integration of MRI for the creation of post-plans is also possible in brachytherapy and offers advantages in terms of prostate visualization due to the increased soft-tissue contrast compared to CT.
description: Hintergrund und Ziele: Im Gegensatz zur Computertomographie (CT) bietet die Magnetresonanztomographie (MRT) einen deutlich besserenWeichteilkontrast, weshalb die Integration der MRT in die Strahlentherapie zunehmend an Bedeutung gewinnt. Da MRT-Bilder für diagnostische Zwecke jedoch meistens eine geringere geometrische Genauigkeit aufweisen als für die Strahlentherapieplanung benötigt, muss die MRT für ihren Einsatz in der Strahlentherapie optimiert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wird dabei zum einen der Einsatz der MRT als bildgebendes Verfahren mit gutem Weichteilkontrast in Verbindung mit der CT und zum anderen im Rahmen eines sogenannten Magnetic-Resonance-only (MR-only) workflows, bei dem das MRT das CT vollständig ersetzt, optimiert und etabliert. Methoden: Für die erfolgreiche Integration der MRT in die strahlentherapeutische Kette ist eine hohe geometrische Genauigkeit der aufgenommenen Bilder unerlässlich. Zu diesem Zweck werden zunächst Anforderungen an die MRT in der Strahlentherapie in einer Guideline für stereotaktische Strahlentherapie definiert und diesbezüglich Parameter eingeführt, deren Optimierung zu einer deutlichen Verbesserung der geometrischen Genauigkeit führt. So werden z.B. die Patientenpositionierung im MRT sowie die Sequenzen und deren Parameter, definiert. Darüber hinaus wird ein Phantom entwickelt, um die Intergration des MRT in die Strahlentherapiekette zu überprüfen. Das Ziel der Entwicklung dieses Phantoms ist damit sowohl die geometrische Genauigkeit des MRT abschätzen zu können, als auch die Registrierung zwischen MRT und CT und die vollständige weitere Strahlentherapiekette überprüfen zu können. Des Weiteren wird auf der Grundlage der definierten Anforderungen an MRT-Geräte für die Strahlentherapie ein neuartiges 0,55 T MRT-System auf seine Verwendbarkeit für die Radioonkologiebildgebung im Kopfbereich hin untersucht. Grundsätzlich müssen CT und MRT miteinander registriert werden, da das CT zur Dosisberechnung benötigt wird. Hieraus entstehende Registrierungsunsicherheiten können durch die Einführung eines reinen MRT-Workflows vermieden werden. Daher werden anschließend Methoden vorgestellt und diskutiert, z.B. die Erzeugung synthetischer CTs (sCT) aus MRTBildern, um auf deren Basis einen MR-only workflow zu entwickeln, also einen Arbeitsablauf, der nur auf MRT-Bildern basiert. Ergebnisse und Beobachtungen: Um MRT-Bilder für die Strahlentherapieplanung einsetzen zu können ist eine hohe geometrische Genauigkeit der Bilder wichtig, die sowohl hinsichtlich der Verzeichnungen von Gradientennichtlinearitäten korrigiert sind, als auch hinsichtlich suszeptibilitätsbedingten Verzeichnungen und chemischen Verschiebungsartefakten hinsichtlich ihrer Bandbreite optimiert sind. Des Weiteren ist die Lagerung der Patienten in Strahlentherapieposition wichtig. Es wird gezeigt, dass dabei auch neuartige 0,55 T MRT Systeme hinreichend hoch aufgelöste und genaue Bilder für die Strahlentherapie erzeugen können. Des Weiteren wird dargelegt, dass neuartige deep learning basierte sCTs in der Lage sind, einen MR-only workflow für die Strahlentherapie zu ermöglichen, sodass diese Technologie nun mit einer prospektiven klinischen Studie in den klinischen Alltag integriert werden kann. Auch in der Brachytherapie kann der MR-only workflow eingesetzt werden, um Postplans zu erstellen, auf denen im MRT Bild sowohl die zur Therapie verwendeten Seeds, als auch das umliegende Weichteilgewebe sichtbar ist. Schlussfolgerungen und Diskussion: Die erhöhten Anforderungen der Strahlentherapie an die MRT-Bildgebung können erfüllt werden, wenn Bildaufnahmen mittels MRT in der Strahlentherapielagerung des Patienten erfolgen und dedizierte Bestrahlungsplanungssequenzen verwendet werden; zudem muss das MRT regelmäßig auf seine Abbildungstreue hin quailitätsgesichert werden. Wenn MRT-Bilder die hohen Anforderungen der Strahlentherapie an die Genauigkeit derselben erfüllen, haben die so erzeugten Aufnahmen das Potential die bisher mittels CT gemachten Bilder in einem MR-only Workflow zu ersetzen. Durch diesen Workflow können Registrierungsunsicherheiten vermieden werden, da sCTs direkt aus MRT-Bildern mittels deep Learning erzeugt werden. Auf dem MR-only workflow basierende Therapie im Hirn ist machbar, da mittels retrospektive Analysen gezeigt werden konnte, dass sCTs für die Dosisberechnung und die tägliche Positionierung verwendet werden können. Daher wird der MR-only workflow in einer kontrollierten klinischen Studie in den klinischen Alltag integriert. Auch in der Brachytherapie ist die Integration von MRT zur Erstellung von Postplans möglich und bietet auf Grund des erhöhten Weichteilkontrast im Vergleich zum CT Vorteile bezüglich der Prostatadarstellung.