Accuracy Beyond Sight: Electromagnetic Tracking in Interstitial Brachytherapy
Genauigkeit jenseits des Sichtbaren: Elektromagnetisches Tracking in der interstitiellen Brachytherapie
Creators: name: Dürrbeck, Christopher
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024
Subjects: Elektromagnetisches Tracking
Brachytherapie
Electromagnetic Tracking
Brachytherapy

description: Background and Purpose Radiotherapy is an essential component in the local treatment of breast cancer. In addition to conventional whole breast irradiation, accelerated partial breast irradiation (APBI) is a valuable and equally effective treatment option for early stage, low-risk patients that offers benefits in terms of side effects and shorter treatment duration. Among the various methods available to deliver APBI, multi-catheter interstitial brachytherapy (iBT) is an established approach. Although iBT has been employed successfully for several years, its quality assurance scheme is not as comprehensive and elaborate as for other treatment techniques, particularly regarding the verification of accurate dose delivery. Innovative technological approaches are needed to fill these gaps.This dissertation proposes electromagnetic tracking (EMT), a technology to accurately localize a small-sized sensor in a defined tracking volume, as a candidate technology to enhance iBT quality assurance. Materials and Methods The EMT system is integrated into an afterloader prototype to facilitate seamless adoption into clinical workflows. As the sensor is attached to the check cable, EMT data can be acquired during the mandatory check cable run, enabling 3D mapping of the catheter implant geometry in the treatment room and prior to each fraction. EMT is devoid of radiation doses and does not require a line-of-sight between the sensor and the receiver. Various potential applications of an EMT-enabled afterloader were investigated in phantoms and in an ongoing patient study. Results and Observations As a prerequisite for the employment of EMT in the breast region, a method for the compensation of respiratory motion artefacts was established using external reference sensors. The residual artefacts (95% confidence interval) were ≤ 0.3 mm and thus smaller than the intrinsic precision of the EMT system. In addition, a technique was devised to identify common treatment errors. All catheter shifts ≥ 2.2 mm and erroneous indexer lengths ≥ 2.0 mm were detected. The use of EMT to detect treatment uncertainties and implant changes was further developed to estimate follow-up CTs from catheter implant information and the planning CT, enabling dosimetric evaluations in the future. The median voxel-wise CT number difference in the planning target volume between estimated and actual follow-up CT was approximately 30 HU. Finally, EMT was deployed for automated implant reconstruction in a hybrid approach with image segmentation techniques. The EMT-based reconstruction deviated by a median of 0.25 mm from the clinically used, manual reconstruction and was therefore more accurate than the human interobserver variability. The duration of the automatic reconstruction, 10-15 minutes including the EMT measurement itself, was significantly shorter than the conventional manual reconstruction. Conclusion EMT has emerged as a promising technology for quality assurance in iBT. It is a versatile system that has demonstrated its practicality not only for pre-treatment verification to detect errors and uncertainties, but also for automated implant reconstruction. Thus it can improve brachytherapy treatments in multiple ways. EMT has the potential to enhance safety standards by automating safety checks and saving time, thereby freeing up valuable medical staff capacity.
description: Hintergrund und Ziele Die Strahlentherapie ist ein wesentlicher Bestandteil der lokalen Behandlung von Brustkrebs. Neben der konventionellen Ganzbrustbestrahlung ist die akzelerierte Teilbrustbestrahlung (APBI) eine wertvolle und ebenso wirksame Behandlungsoption für Patientinnen im Frühstadium, die Vorteile hinsichtlich der Nebenwirkungen und einer kürzeren Behandlungsdauer bietet. Unter den verschiedenen Bestrahlungstechniken für die APBI ist die interstitielle Multikatheter-Brachytherapie (iBT) eine etablierte Methode. Obwohl die iBT bereits seit vielen Jahren erfolgreich eingesetzt wird, ist ihr Qualitätssicherungssystem nicht so umfassend und ausgefeilt wie das anderer Behandlungstechniken, insbesondere was die Verifikation der korrekten Dosisapplikation betrifft. Um diese Lücke zu schließen, werden innovative technologische Ansätze benötigt. In dieser Dissertation wird elektromagnetisches Tracking (EMT), eine Technologie zur genauen Lokalisierung kleiner Sensoren innerhalb eines definierten Messvolumens, als eine mögliche Technologie zur Verbesserung der Qualitätssicherung in der iBT vorgeschlagen. Material und Methoden Das EMT-System ist in einen Afterloader-Prototyp integriert, um eine nahtlose Einbindung in klinische Arbeitsabläufe zu gewährleisten. Da der Sensor am Prüfkabel angebracht ist, können EMT-Daten während des obligatorischen Prüfkabeldurchlaufs erfasst werden, was eine 3D-Kartierung der Katheterimplantatgeometrie im Behandlungsraum und vor jeder einzelnen Fraktion ermöglicht. EMT ist frei von Strahlungsdosen und erfordert keine Sichtverbindung zwischen dem Sensor und dem Empfänger. Verschiedene potenzielle Anwendungen eines EMT-fähigen Afterloaders wurden an Phantomen und in einer laufenden Patientenstudie untersucht. Ergebnisse und Beobachtungen Als Voraussetzung für den Einsatz von EMT in der Brustregion wurde eine Methode zur Kompensation von Atembewegungsartefakten mithilfe externer Referenzsensoren entwickelt. Die Restartefakte (95% Konfidenzintervall) waren kleiner als 0,3 mm und damit niedriger als die intrinsische Präzision des EMT-Systems. Darüber hinaus wurde eine Technik entwickelt, um häufige Behandlungsfehler zu identifizieren. Alle Katheterverschiebungen und fehlerhaften Indexerlängen größer als 2,2 mm bzw. 2,0 mm wurden erkannt. Die Verwendung von EMT zur Erkennung von Behandlungsunsicherheiten und Implantatveränderungen wurde weiterentwickelt, um aus dem Planungs-CT und den Katheterimplantat-Informationen Kontroll-CTs abzuschätzen, was zukünftig dosimetrische Auswertungen ermöglicht. Die mediane voxelweise CT-Zahl-Differenz zwischen geschätztem und tatsächlichem Kontroll-CT betrug etwa 30 HU im Bereich des Zielvolumens. Schließlich wurde EMT in einem kombinierten Ansatz mit Methoden der Bildsegmentierung für die automatische Rekonstruktion von Implantaten eingesetzt. Die EMT-basierte Rekonstruktion wich im Median um 0,25 mm von der klinisch verwendeten, manuellen Rekonstruktion ab und war damit genauer als die Interobserver-Variabilität zwischen Medizinphysikern. Die Dauer der automatischen Rekonstruktion war mit 10-15 Minuten, einschließlich der EMT-Messung selbst, deutlich kürzer als die konventionelle manuelle Rekonstruktion. Schlussfolgerung und Diskussion EMT hat sich als vielversprechende Technologie zur Qualitätssicherung in der iBT erwiesen. Es handelt sich um ein vielseitiges System, das sich nicht nur für die Behandlungsverifikation vor der Bestrahlung und zur Erkennung von Fehlern und Unsicherheiten bewährt hat, sondern auch für die automatische Rekonstruktion von Katheterimplantaten. Somit kann es Brachytherapie-Behandlungen in mehrfacher Hinsicht verbessern. EMT hat das Potenzial, die Sicherheitsstandards in der iBT zu verbessern, indem es Sicherheitsprüfungen automatisiert und Zeit spart, wodurch wertvolle Kapazitäten des medizinischen Personals freigesetzt werden können.