Magnetic resonance imaging -based radiation therapy - Methods enabling the radiation therapy treatment planning workflow for prostate cancer patients by relying solely on MRI-based images throughout the process

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2015-04-30
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2015
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
66 + app. 52
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 35/2015
Abstract
This study introduces a radiation therapy treatment planning (RTP) workflow for prostate cancer patients that relies solely on magnetic resonance imaging (MRI) -based RTP images throughout the process. Scanner-specific intensity values of T1/T2*-weighted in-phase MR images and Hounsfield units (HUs) of computed tomography (CT) images in the male pelvis were analyzed. The results were utilized to generate a dual model conversion technique transforming the MRI data into pseudo-HUs by separate conversion models within and outside of bone segment. The technique was implemented by constructing pseudo-CT images for 15 prostate cancer patients. The feasibility of the obtained images for RTP was evaluated by comparisons against the standard CTs. Dose distributions were analyzed e.g. with volumetric-modulated arc therapy calculated by means of a Monte Carlo algorithm. The feasibility of MRI-based reference images for image guidance was investigated for patient position verification with X-ray -based localization images. The potential susceptibility-induced bone outline shift in MR images and the effect of different bone parts to the absorbed dose were quantified with a dedicated fresh bone phantom. The local soft- and bony tissue presentation uncertainties in the pseudo-CTs were on average 11 HUs and 99 HUs, respectively. The prostate dose level differences between those in pseudo-CTs and those in CTs ranged from -1.0% to 0.8%. The percentages of dose points in the body passing the 1 mm and 1% 2D gamma index criteria between the images ranged from 79% to 100%. The maximum dose distribution inconsistency behind the bones was 1.3% measured for a single 6 MV radiation field. The bone outlines in the MR images were illustrated correctly within a 1 mm-pixel size, but each 1 mm-sized systematic error in bone segmentation resulted in ~0.4% change to the prostate dose level in the pseudo-CTs. The SDs of differences between cone-beam CT (CBCT)-to-pseudo and CBCT-to-CT automatic registrations were ≤1.0 mm and ≤0.7°. The SDs of differences between pseudo-digitally reconstructed radiograph (DRR) and CT-DRR -based manual registrations with planar localization were ≤1.0 mm (kV) and ≤1.7 mm (MV). This work shows that it is possible to construct heterogeneous pseudo-CTs of the pelvis by transforming the intensity values of a single MR image into pseudo-HUs, and that by adopting these images for dose calculation and image guidance, the entire MRI-based RTP workflow for prostate cancer patients can be conducted according to required standards of modern RT.

Tämä työ esittelee magneettikuvaus -pohjaisen sädehoidon suunnitteluketjun eturauhassyöpäpotilaille. Tietyn magneettikuvauslaitteen T1/T2*-painotettuja kuvia ja tietokonetomografia (TT) -kuvia lantion alueesta vertailtiin keskenään, ja tulosten perusteella kehitettiin konversiotekniikka, joka muuntaa magneettikuvan intensiteettiarvot pseudo-Hounsfield yksiköiksi erikseen luu-segmentin sisä- ja ulkopuolella. Tekniikkaa käytettiin pseudo-TT-kuvien muodostamiseksi 15 eturauhassyöpäpotilaalle. Kuvien soveltuvuus sädehoidon suunnitteluun arvioitiin TT-kuvien kanssa suoritettujen vertailutestien avulla. Annosjakaumia analysoitiin esimerkiksi käyttämällä intensiteettimuokattua kaarihoitoa yhdessä Monte Carlo annoslaskenta-algoritmin kanssa. Kuvien käyttökelpoisuus kuvantaohjauksen referenssi-kuviksi tutkittiin kartiokeila-TT (KKTT) ja tasoröntgenkuva -pohjaisille lokalisointi menetelmille. Potentiaalinen luun reunan paikan kemiallinen siirtymä magneettikuvissa, sekä eri luuosien vaikutus absorboituneeseen säteilyannokseen määritettiin luu-liivate -testikohteen avulla. Pseudo-TT-kuvissa kudosten paikallinen Hounsfield yksiköiden epävarmuus oli keskimäärin 11 pehmytkudoksissa ja 99 luukudoksissa. Eturauhasen säteilyannostason erot pseudo-TT- ja TT-kuvien välillä olivat -1.0%–0.8%. Lisäksi, 79%–100% annoslaskentapisteistä lantion alueella täyttivät 1 mm and 1% 2D gamma-indeksi -kriteerit kuvien välillä. Suurin ero annosjakaumassa luiden takana yhtä 6 MV säteilykenttää käytettäessä oli 1.3%. Magneettikuvissa luun reunan paikka oli esitetty oikein 1 mm pikselikoon tarkuudella, mutta kukin 1 mm -kokoinen systemaattinen virhe luiden segmentoinnissa aiheutti ~0.4% muutoksen eturauhaseen laskettuun säteilyannostasoon pseudo-TT-kuvissa. Keskipoikkemat automaattisten KKTT-pseudo ja KKTT-TT -kuvarekisteröintien välillä olivat ≤1.0 mm and ≤0.7°. Vastaavat erot tasolokalisointikuvien perusteella (referenssinä pseudo-TT- ja TT-kuvista digitaalisesti rekonstruktuoidut röntgenkuvat) suoritetuissa manuaalisissa rekisteröinneissä olivat ≤1.0 mm (kV) and ≤1.7 mm (MV). Tämä työ osoittaa, että on mahdollista muodostaa heterogeeninen pseudo-TT-kuva lantion alueesta muuntamalla magneettikuvan intensiteettiarvot pseudo-Hounsfield yksiköiksi, ja että kyseistä kuvaa käyttämällä sädehoidon annoslaskennassa ja kuvantaohjauksessa, kaikki eturauhassyöpäpotilaiden magneettikuvaus -pohjaisen sädehoidon suunnitteluketjun työvaiheet voidaan suorittaa tarkasti nykyaikaisen sädehoidon edellyttämillä menetelmillä.
Description
Supervising professor
Sepponen, Raimo, Prof., Aalto University, Department of Electrical Engineering and Automation, Finland
Thesis advisor
Kapanen, Mika, Docent, Helsinki University Central Hospital, HUCH Cancer Center, Finland
Tenhunen, Mikko, Docent, Helsinki University Central Hospital, HUCH Cancer Center, Finland
Keywords
MRI-based RT, radiotherapy, treatment planning, magnetic resonance imaging, sädehoito, sädehoidon suunnittelu, magneettikuvaus, eturauhassyöpä
Parts
  • [Publication 1]: J. Korhonen, M. Kapanen, J. Keyriläinen, T. Seppälä, L. Tuomikoski, and M. Tenhunen; “Absorbed doses behind bones with MR image-based dose calculations for radiotherapy treatment planning,” Med. Phys. 40(011701), 1-10 (2013).
    DOI: 10.1118/1.4769407 View at publisher
  • [Publication 2]: J. Korhonen, M. Kapanen, J. Keyriläinen, T. Seppälä, and M. Tenhunen; “A dual model HU conversion from MRI intensity values within and outside of bone segment for MRI-based radiotherapy treatment planning of prostate cancer,” Med. Phys. 41(011704), 1-13 (2014).
    DOI: 10.1118/1.4842575 View at publisher
  • [Publication 3]: J. Korhonen, M. Kapanen, J. Keyriläinen, T. Seppälä, L. Tuomikoski, and M. Tenhunen; “Influence of MRI-based bone outline definition errors on external radiotherapy dose calculation accuracy in heterogeneous pseudo-CT images of prostate cancer patients;” Acta Oncol. 53(8), 1100-1106 (2014).
    DOI: 10.3109/0284186X.2014.929737 View at publisher
  • [Publication 4]: J. Korhonen, M. Kapanen, J.-J. Sonke, L. Wee, E. Salli, J. Keyriläinen, T. Seppälä, and M. Tenhunen; “Feasibility of MRI-based reference images for image-guided radiotherapy in the pelvis with either cone-beam computed tomography or planar localization images,”Acta Oncol. Ahead of print, 1-7 (2014).
    DOI: 10.3109/0284186X.2014.958197 View at publisher
Citation