4D-MRT für die Präzisionsmedizin

Die Strahlentherapie bei Krebs war ein Vorläufer der personalisierten Medizin, bei der individualisierte Behandlungen auf der Grundlage patientenspezifischer anatomischer Informationen entwickelt wurden. Trotz vieler Fortschritte in der Strahlentherapie in den letzten zehn Jahren, die die lokale oder lokoregionäre Tumorkontrolle bei vielen Patienten effektiv verbessert haben, bleibt noch viel Raum für Verbesserungen. Die Herausforderungen für die Strahlentherapie, das therapeutische Fenster im Zeitalter der Präzisionsmedizin weiter zu erweitern, sind hauptsächlich zweierlei: (a) weitere Verbesserung der Übereinstimmung der Strahlendosis mit dem definierten Zielvolumen und (b) Anpassung neuer biologischer Strategien für eine personalisierte Behandlung. Vierdimensionale (4D) Bildgebung und verformbare Bildregistrierung (DIR) sind Schlüsselinstrumente in der modernen Strahlentherapie und spielen eine entscheidende Rolle bei vielen jüngsten Fortschritten, einschließlich 4D-Strahlentherapie, adaptiver Strahlentherapie und Behandlungsbewertung. Aktuelle 4D-Bildgebungs- und DIR-Technologien stehen jedoch vor erheblichen Herausforderungen, da die Anforderungen an die Präzision zunehmen.

Der aktuelle Standard der 4D-Bildgebung in der Strahlentherapie ist die 4D-CT. Es hat jedoch zwei Hauptbeschränkungen, die es von Präzisionsstrahlentherapieanwendungen abhalten: (a) niedriger Weichteilkontrast. 4D-CT ist daher nicht ideal für Bauchanwendungen; (b) Bewegungsartefakte, die durch unregelmäßiges Atmen verursacht werden. Es hat sich gezeigt, dass 4D-CT-Bewegungsartefakte Fehler in verschiedenen Strahlentherapieanwendungen verursachen, einschließlich Bewegungsmessung, Zielvolumenabgrenzung, Dosisberechnung, DIR und Lungenventilationsberechnung. 4D-MRT ist eine aufstrebende 4D-Bildgebungstechnologie für die Strahlentherapie. Es hat einen überlegenen Weichteilkontrast zu 4D-CT und eignet sich daher hervorragend für die abdominale Bildgebung. Trotz vieler neuerer Fortschritte bei der 4D-MRI weisen derzeitige 4D-MRI-Implementierungen aufgrund mindestens eines der folgenden Mängel eine unzureichende Bildqualität für eine Präzisionsstrahlentherapieanwendung auf: niedrige zeitliche und/oder räumliche Auflösung, lange Bilderfassungszeit und suboptimaler Kontrast in der Lunge. Den resultierenden 4D-MRT-Bildern fehlen ausreichende anatomische Details für klinische Anwendungen, was die Leistung von DIR beeinträchtigen kann. Aktuelle DIR-Techniken konzentrieren sich auf die morphologische Ähnlichkeit, aber nicht auf die physiologische Plausibilität der Deformation. Studien haben gezeigt, dass eine erhöhte morphologische Ähnlichkeit der ausgerichteten Daten nicht immer eine erhöhte Registrierungsgenauigkeit impliziert. Ausgereiftere Ansätze sind daher wünschenswert.

Die Forscher werden einen systematischen Ansatz verfolgen, um die oben genannten Einschränkungen der 4D-Bildgebung und der Registrierung deformierbarer Bilder (DIR) auf der Grundlage der Entwicklung und gegenseitigen Befruchtung von zwei Haupttechniken anzugehen: 4D-MRI in höchster Qualität und physiologisch basierte Hybrid-DIR. Diese Forschung besteht aus zwei Teilen, die drei Hauptziele umfassen:

Teil 1. Technische Entwicklung bei gesunden Probanden: Die Forscher werden ihre bestehende Pulssequenzstrategie für 3D-MRT in höchster Qualität erweitern, um 4D-MRT in höchster Qualität zu ermöglichen. Im Vergleich zu 4D-CT- und aktuellen 4D-MRT-Techniken bietet die vorgeschlagene 4D-MRT-Technik in höchster Qualität die folgenden Vorteile: (a) hohe räumliche Auflösung (1,5 mm isotrop) mit reichhaltigen Bildmerkmalen (z. Schiffsbäume) im gesamten Torso; (b) hohe zeitliche Pseudoauflösung (> 20 Phasen/Zyklus); und (c) (fast) frei von Bewegungsartefakten.

• Ziel 1: Entwicklung einer MRI-Pulssequenz und Bildrekonstruktionspipeline, die Bilder erzeugt, die diese drei Designziele erfüllen.

Teil 2. Evaluation der 4D-MRT in einer Patientenstudie: Die 4D-MRT wird mit bestehenden DIR- und 4D-CT-Methoden verglichen. Es wird zwei Klassen von Vergleichen geben, die jeweils als separates Ziel formuliert sind:

• Ziel 2: Vergleichen Sie die Bewegungsmodellierung basierend auf 4D-MRT mit der Registrierung deformierbarer Bilder (DIR) bei gesunden Probanden und Krebspatienten. Es wird ein verbessertes Bewegungsmodellierungsverfahren entwickelt, das auf die hochqualitativen 4D-MRI-Anwendungen zugeschnitten ist. Die Forscher stellen die Hypothese auf, dass eine neue Methode zur Bewegungsmodellierung auf der Grundlage von 4D-MRI die aktuellen DIR-Algorithmen zur Schätzung der Atembewegung übertreffen wird. Diese Hypothese wird getestet, indem das neue Verfahren mit fünf DIR-Algorithmen verglichen wird, die eine Mischung aus kommerzieller Software und öffentlich verfügbaren Algorithmen enthalten.
• Ziel 3: Vergleich von 4D-MRT mit 4D-CT bei Patienten mit Lungen- und Leberkrebs. Die Gesamthypothese dieses Ziels ist, dass die 4D-MRT in Ultraqualität eine bessere Bildqualität als 4D-CT für das Bewegungsmanagement der Strahlentherapie in Lunge und Leber bietet, insbesondere bei Patienten mit unregelmäßiger Atmung.