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

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.