Real-time tumor localization with electromagnetic transponders for image-guided radiotherapy applications [Elektronische Ressource] / put forward by Andreas W. Rau

De
Dissertationsubmitted to theCombined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematicsof the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germanyfor the degree ofDoctor of Natural SciencesPut forward byM.Sc.: Andreas W. Rauborn in: Neustadt an der WeinstraßendOral examination: April 22 , 2009Real-time tumor localization withelectromagnetic transponders forimage-guided radiotherapy applicationsReferees: Prof. Dr. Uwe OelfkeProf. Dr. Hartmut DickhausEchtzeit-Tumorortung mittels elektromagnetischer Sonden fürAnwendungen in der bildgeführten Strahlentherapie— Zusammenfassung —DieDetektionintrafraktionellerOrganbewegungzurVermeidungeventuellerFehlbestrahl-ungen ist ein ungelöstes Problem der Strahlentherapie. Ein neuartiges Konzept zur dy-namischenBewegungserfassungdesTumorsverwendetindenTumorimplantierteelektro-magnetische (EM) Sonden. In dieser Arbeit werden Konzepte und Strategien zur Anwen-dung dieser neuen Technologie in der bildgeführten Strahlentherapie (IGRT) entwickelt.Zunächst erfolgt die experimentelle Untersuchung der Kompatibilität der EM Technolo-gie mit der strahlentherapeutischen Umgebung. Anschließend wird ein Verfahren zurKombination der EM Tumorortung mit der Roentgenbildgebung in der IGRT entwickelt.
Publié le : jeudi 1 janvier 2009
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Dissertation
submitted to the
Combined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematics
of the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germany
for the degree of
Doctor of Natural Sciences
Put forward by
M.Sc.: Andreas W. Rau
born in: Neustadt an der Weinstraße
ndOral examination: April 22 , 2009Real-time tumor localization with
electromagnetic transponders for
image-guided radiotherapy applications
Referees: Prof. Dr. Uwe Oelfke
Prof. Dr. Hartmut DickhausEchtzeit-Tumorortung mittels elektromagnetischer Sonden für
Anwendungen in der bildgeführten Strahlentherapie
— Zusammenfassung —
DieDetektionintrafraktionellerOrganbewegungzurVermeidungeventuellerFehlbestrahl-
ungen ist ein ungelöstes Problem der Strahlentherapie. Ein neuartiges Konzept zur dy-
namischenBewegungserfassungdesTumorsverwendetindenTumorimplantierteelektro-
magnetische (EM) Sonden. In dieser Arbeit werden Konzepte und Strategien zur Anwen-
dung dieser neuen Technologie in der bildgeführten Strahlentherapie (IGRT) entwickelt.
Zunächst erfolgt die experimentelle Untersuchung der Kompatibilität der EM Technolo-
gie mit der strahlentherapeutischen Umgebung. Anschließend wird ein Verfahren zur
Kombination der EM Tumorortung mit der Roentgenbildgebung in der IGRT entwickelt.
Dieses Verfahren nutzt die spezifischen Vorteile der EM Tumorortung (nicht-ionisierende
Strahlung, dreidimensionale Ortung) und die der Roentgenbildgebung (volumetrische In-
formation über Organdeformation, -rotation, Position der Risikoorgane). Das Verfahren
konnte erfolgreich zur Vermeidung von Bewegungsartefakten in Kegelstrahltomograhie-
bildern eingesetzt werden. Zusätzlich wird die Echtzeit-Steuerung eines dynamischen
Lamellenkollimators auf der Grundlage der EM Sonden grundsätzlich realisiert. Zum Ab-
schluss der Arbeit wird die klinische Einführung der EM Tumorortung im Rahmen einer
Prostatastudie erreicht. Die entwickelten Konzepte verbessern die Detektion intrafrak-
tioneller Organbewegung in der IGRT und ermöglichen dadurch die genauere Bestrahlung
dynamischer Zielvolumina.
Real-time tumor localization with electromagnetic transponders for
image-guided radiotherapy applications
— Abstract —
The detection of intrafraction organ motion, necessary for the minimization of treatment
errors, isaremainingchallengeinradiotherapy. Anoveltechnologyforthedynamicmoni-
toring of tumor motion uses tumor-implanted electromagnetic (EM) transponders. In the
present thesis, concepts and strategies for the use of the EM technology in image-guided
radiotherapy (IGRT) are developed. First, the compatibility of the EM technology with
they environment is investigated experimentally. Subsequently, a technique
is developed that combines EM tumor localization with the x-ray imaging options of
IGRT. This technique exploits the unique advantages of EM tumor localization (non-
ionization radiation, three-dimensional target localization) and those of x-ray imaging
(volumetric information about organ deformation and rotation, localization of organs at
risk). Thetechniquehasbeenappliedsuccessfullytotheeliminationofmotionartifactsin
cone-beam computed tomography. In addition, the real-time control of a dynamic multi-
leaf collimator based on the EM transponders could be demonstrated. Finally, the EM
tumor tracking technology is introduced clinically with a study on prostate motion. The
concepts developed in this thesis improve the detection of intrafraction organ motion in
IGRT and thus enable the treatment of dynamic target volumes with increased accuracy.Contents
Abbreviations, acronyms and definitions i
1 Introduction 1
1.1 Radiotherapy and target motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Thesis objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Thesis organization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 Systems integration 5
2.1 The Calypso System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.1 Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.2 Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.3 Installations at DKFZ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2 The ARTISTE radiotherapy suite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.1 Cone-beam computed tomography (CBCT) . . . . . . . . . . . . 10
2.2.2 Tabletops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.3 Coordinate reference frames . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3 Phantoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3.1 Calypso body phantom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3.2 Target phantom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3.3 Thorax phantom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.4 Investigations of system compatibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4.1 Geometric integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4.2 Treatment table compatibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4.3 Irradiating through the magnetic array . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.4.4 Integration of EM tracking with a dynamic multileaf collimator . 33
3 Electromagnetic tracking and x-ray imaging 37
3.1 Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.1.1 Transponder detectability in x-ray images . . . . . . . . . . . . . 39
3.1.2 Transponder-tracking image processing . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.1.3 Systems synchronization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50Contents
3.1.4 Imaging with concurrent EM tracking . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.2 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.2.1 Transponder detectability in x-ray images . . . . . . . . . . . . . 55
3.2.2 Transponder-tracking image processing . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.2.3 Systems synchronization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.2.4 Imaging with concurrent EM tracking . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4 Application to 4D cone-beam computed tomography (CBCT) 69
4.1 Concept of 4D CBCT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.2 Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.2.1 Data acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.2.2 Signal synchronization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.2.3 Image reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.3.1 Signal synchronization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.3.2 Image reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5 Clinical Trial 83
5.1 Study design and registration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.2 Workflows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.3 The clinical tabletop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.3.1 Imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.3.2 Geometric clearance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.3.3 Dosimetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.4 Status report . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6 Discussion and conclusions 93
6.1 Electromagnetic tracking and x-ray imaging . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6.1.1 Imaging with concurrent EM tracking . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6.1.2 Transponder-tracking image processing . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.1.3 Synchronization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.2 4D CBCT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6.3 Clinical trial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
7 Summary 103
Bibliography 105
List of Figures 115Contents
List of Tables 119
Acknowledgments 121Contents

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