Kurs ”MR och Strålterapi”radiofysik.org/documents/userfiles/pages/2454... · Presentation av...

Bildhantering - med inriktning strålterapi

Kurs ”MR och Strålterapi”

12:e november, 2013

Johan Sjöberg, leg. Sjukhusfysiker

[email protected]

mailto:[email protected]

Vad är du?

1. MR-fysiker 2. Strålfysiker 3. Onkolog 4. Radiolog 5. Onk-ssk 6. Rtg-ssk 7. Us 8. Annat

Mentometertest

Definition

Bildinsamling PACS

Informations- och bildhanteringssystem för strålterapi

Sekundärgranskning

Registrering Dosberäkning

Presentation av data

Lagring

Andra bildhanteringssystem

Forskning Projekt Egna verktyg

Segmentering

Kvalitetssäkring

Frågan om sekundärgranskning

Bildinsamling PACS Sekundärgranskning

Lagring

Vad skiljer diagnostisk MR från MRiRT (targetdefinition)?

Diagnostisk MR • Vi söker sjukdomen • Patient ligger ej i fixation • Dedicerade spolar • Många sekvenser av olika karaktär • Datainsmaling i olika plan (tra, sag, cor) • Geometrisk integritet inte i fokus

MR för targetdefinition • Vi vet var sjukdomen är • Patient ligger i fixation • ”Flex”-spolar • Få, välvalda sekvenser för ändamålet • Endast transversell datainsamling • Geometrisk integritet mycket viktigt

Process under utveckling – behövs göras sekvensoptimering på friska frivilliga – skriftlig rutin för sekundärgranskning av radiolog bör finnas

”MRT-bilderna lagras i PACS och det är viktigt att så sker, de behövs för jämförelse vid senare undersökningar” – Radiolog KS

Fixation H&N

Process under utveckling – behövs göras sekvensoptimering på friska frivilliga – skriftlig rutin för sekundärgranskning av radiolog bör finnas

Bör patientmaterialet också sekundärgranskas av radiolog?

1. Ja, rutinmässigt

2. Ja, under vissa förutsättningar

3. Nej

4. Vet inte

Frågan om sekundärgranskning

Definition

Bildinsamling

Informations- och bildhanteringssystem för strålterapi

Registrering

Dosberäkning Presentation av data

Segmentering

Första orosmoment: Geometrisk integritet Andra orosmoment: Registreringsosäkerhet Stående orosmoment: Segmentering

Första orosmoment: Geometrisk integritet

MR-bilder ljuger alltid: kort om geometrisk distortion 1. Gradientinducerad geometrisk distortion1

Gx

x

Modell

”Verklighet”

1. Medvetet designade för minska risk för perifer nervstimulering

2. Signal- och positionsdistortion 3. Kan mätas upp med exempelvis ”grid”-fantom

a) System (individ)- och sekvensspecifik b) Ej objekt/patientberoende

1Doran S. J. et al, ”A complete distortion correction for MR images: I. Gradient Warp Correction”, Phys Med Biol 50:1343-131, 2005

MR-bilder ljuger alltid: kort om geometrisk distortion 2. Objektinducerade B0-inhomogeniteter1,2

1. Designmål motsatta: vettig homogenitet samtidigt som patientvänlig och utrymmesvänlig design

2. Patienten/objektet inducerar ändå inhomogeniteter, trots ”perfekt” statiskt magnetfält

Magnetfält runt circulär ledare Magnetfält runt spole ”Idealfallet”


1Doran S. J. et al, ”A complete distortion correction for MR images: I. Gradient Warp Correction”, Phys Med Biol 50:1343-131, 2005 2Chang H., Fitzpatrick J. M., ”Geometrical image transformation to compensate for MRI distortions”, Proc. SPIE 1233, Medical Imaging IV,m Image

Processing, 116, 1990


2McFarlane, J. ”Assessment of geometric distortion as part of quality assurance in multicentre magnetic resonance imaging”, IPEM special interest group meeting, 2012

Varför objektinducerade inhomogeniteter? • Olika material har olika magnetisk susceptibilitet3 • I gränsskikt mellan material med olika magnetisk

susceptibilitet uppstår små lokala magnetfält -> susceptibilitetsartefakt (signaldistortion)

• Effekten i bilden starkt beroende av sekvenstyp (bandbredd, voxelstorlek, TE, GRE eller SE)

• Den mest extrema formen är metallartefakten som resulterar i total urfasning av lokala spinn signalförlust


3Sumanaweera T. S., et al, ”MR susceptibility misregistration correction”, IEEE Trans Med Imaging 12:251-9, 1993

4Carlsson Å, ”Susceptibility effects in MRI and 1H MRS”, Doctoral Thesis, University of Gothenburg, ISBN 978-91-628-7688-3, 2009

Leverantö

r A 1

,0 T

Leverantö

r B 3

,0 T

Exempel (okorrigerat)

3Sjöberg J., ”Dosimetric and geometric evaluation of MRI as the only imaging modality for the radiotherapy treatment process of localized prostate cancer”, Master of Science Dissertation, Lund university, 2010

• Leverantören erbjuder ”distortionskorrektion”

– 2D eller 3D

– Minskar effekten av icke-linjära gradienter

• Baserar sig på en begränsad teoretisk beskrivning av gradientspolarna

• Korrigerar inte effekten av patientinducerad inhomogenitet

• MR-bilder ljuger trots ”korrektion”

Vi kan ”photoshoppa”

Bättre men inte perfekt


Residual distortion


Exempel Leverantö

r A 1

,0 T

3Sjöberg J., ”Dosimetric and geometric evaluation of MRI as the only imaging modality for the radiotherapy treatment process of localized prostate cancer”, Master of Science Dissertation, Lund university, 2010

Leverantör B 3,0 T

Exempel (korrigerat)

WIP Karolinska

Exempel

5Karger C. P., et al, ”Accuracy of device-specific 2D and 3D image distortion correction algorithms for magnetic resonance imaging of the head provided by a manufacturer”, Phys Med Biol 51:253-261, 2006

Hur förhåller ni er på eran site till geometrisk distortion för MRiRT?

1. Vi har kvantifierat den och inkorporerat den i PTV-marginalerna

2. Vi har kvantifierat den och inte inkorporerat den i PTV-marginalerna

3. Vi är medvetna om problemet men kör ändå utan ändring av PTV-marginalerna

4. Vi är inte medvetna om problemet och har kört på ändå

5. Arbetar inte med MRiRT (än)

• Kvantifiera totala geometriska felet a) Mät upp GDC-algoritmens prestanda i tre

dimensioner över hela användbara FOV i. Se NEMA-standard MS-12 2010

b) Uppskatta felet (storleksordning) från susceptibilitetsgränsskikt

i. Idéer? ii. Enkla fantomstudier med olika geometrier? iii. Studier med antropomorfiska fantom? iv. Simuleringar?

• Korrigera!

Hur förhålla sig till geometriska felet för MRiRT?

Presentation av data enligt internationell standard

WIP: GEODIST 2D

Presentation enligt NEMA-standard

WIP Karolinska: 50x50x50 cm3 3D-fantom, 86650 kontrollpunkter

Presentation av data enligt internationell standard

3D och stort FoV


• Två syften med uppmätningen medels fantom

– QA

– Input till korrigeringsalgoritm för gradienternas icke-linjäritet, se bl.a. Doran et al, 2005

• Patientspecifik korrigering (B0-inhomogeniteter)

– Reverserad utläsningsgradient, se Chang & Fitzpatrick, 1992 samt Reinsberg et al, 2005

Efterföljande korrigering

Geometrisk integritet motsvarande CT

3Reinsberg S. A., et al, ”A complete distortion correction for MR images: II. Rectification of static-field inhomogeneities by similarity-based profile mapping”, Phys Med Biol 50:2651-61, 2005

Definition: • Två eller flera bilddataset med olika referenssystem sammanförs i ett

gemensamt referenssystem

• Rigid (translation, rotation) samt deformabel registrering

• Punktbaserad (markörer, fördefinierade eller av användaren definierade)

• Signalintensitet och/eller signalgradienter (ex. mutual information)

• Manuell

CT T2-viktad TSE

Andra orosmoment: Registrering

Utmaningar

CTideal MRideal

– Olika signalintensiteter för olika vävnader – Kortikala benet syns på CT mkt väl – Syns inte alls på MR, vi ser fett- och vatteninnehållet i

benmärgen – Artefakter, falsk information – ”Dancing prostate”, olika blås- och tarmfyllnad,

patientrörelse

Streckartefakter Photon depletion Beam hardening

Gibbs-ringningar Rörelseartefakter Kemiskt skift Susceptibilitetsartefakter Flödesartefakter Ghosting Interferenslinjer Distortion

CTreal MRreal

Exempel för bäcken

– Registreringsalgoritmen kan inte ta hänsyn till dessa fenomen

– Falsk information påverkar målfunktionen, optimeringen konvergerar inte mot det optimala resultatet Registreringsosäkerhet

– Dessutom:

• Vilken är den optimala volymen att registrera över? • Vilka är de optimala registreringsparametrarna? • Vilken är den optimala pulssekvensen? • Ska vi registrera med markörer för prostata? Andra siter? • Registrera på ben? Mjukvävnad? Vilken? • Vad är en bra registrering?

För rigid registrering

”Bra” registrering

”Dålig” registrering Konsekvens: Systematiskt geometriskt fel

Exempel för bäcken

Kvalitetssäkring?

Vem bör utföra registreringen och vem bör granska och godkänna den?

1. Doktor/Doktor

2. SSK/Doktor

3. SSK/Fysiker

4. Fysiker/Doktor

5. Fysiker/Fysiker

6. Andra

Registreringsosäkerhet Automatisk rigid registrering

Blåsa Kroppskontur Fett/muskelgränser Höftkulor

Patient # AP [mm] Lat [mm] CC [mm] Max [mm] Max [mm] Max [mm]

1 6 4 4 13 0 0

2 1 8 16 10 7 0

3 6 6 17 10 0 0

4 7 7 6 17 6 0

5 22 11 17 5 7 0

6 20 8 14 9 4 0

7 39 8 10 12 4 0

8 20 17 14 8 4 4

9 1 9 1 14 5 0

10 15 15 22 23 6 0

11 7 6 17 22 27 0

12

13

14 29 37 35 22 10 0

15 20 16 27 26 14 0

16 8 7 21 25 14 0

17 16 17 35 11 6 0

18 12 20 27 9 0 0

19 3 4 2 8 12 2

20 9 5 5 6 4 0

21 12 7 8 8 3 0

22 5 4 14 3 3 0

23 21 7 7 22 7 0

24 30 5 7 10 5 0

25 11 7 29 7 6 0

26 14 7 12 2 7 0

27 1 1 1 3 10 0

28 11 10 8 35 10 0

Medel 13 10 14 13 7 0 SD 10 7 10 8 6 1

Observationer och slutsatser:

1. Tung penalty i optimeringsalgoritmen på felregistreringar av benstrukturer p.g.a. kraftiga signalgradienter

I. Bra registreringkvalitet för skelettstrukturer med låg variabilitet

2. Blåsan hopplöst organ

3. Avvikelser i kroppskontur kanske ej av stor vikt idag

4. Mjukvävnadsavvikelser av problematisk storleksordning och variabilitet

Registreringsunderlag Karolinska

Stor signalgradient mellan kortikala benet (urfasat) och omgivande strukturer

Preliminära resultat

Kroppskontur Fett/muskelgränser Höftkulor

Max [mm] Max [mm] Max [mm]

13 3 0

11 5 4

20 14 7

7 6 0

7 7 6

33 7 4

15 15 12

7 6 5

15 13 12

19 19 10

Medel 15 10 6

SD 8 5 4

Observationer och slutsatser:

1. Registreringskvalitén generellt sämre

Leder till två möjliga utfall:

Registrering på skelett:

• Bra, konsekvent registreringskvalitet för skelett, sämre för andra organ

Registreringskvalité

Registrering på markörer:

• Prostata bra överensstämmelse, sämre för allt annat

Leder till följande slutsats:

Courtesy of Ingmar Lax Courtesy of Ingmar Lax

Registreringskvalité

Dosfördelningen och strukturerna bör vid dosplanrond alltid visas på det bildunderlag strukturerna är ritade på.

Inte framtidens strategi

1. Registreringsförfarandet CT/MR är en övergångsperiod

2. Framtiden (spekulation):

Görs ingen CT alls om inte MR är kontraindicerat

MR/PET för targetdefinition samt non-invasiv responsutvärdering (tidig för adaptiv behandling, sen för uppföljning) och MR-Linac med ”Target Tracking”

• Manuell segmentering aka ”Paint” – Onkologen ritar manuellt in strukturer, snitt för snitt – Volymer interpoleras

Segmentering

• Tidskrävande = dyrt

• Stort operatörsberoende

• Funktioner utan formell kunskap om radiologi ritar ibland

• Remittenter

• Onkologer (utan MR-utb) på MR-bilder

Intra-observatörvariation

3Nyholm T. et al, ”Variability in prostate and seminal vesicle delineations defined on magnetic resonance images, a multi-observer, -center and –sequence study”, Radiat Oncol 8:126, 2013

(Semi-) Automatisk segmentering3-6:

Segmentering

Idé: Låt en dator modellera patienten

- Atlasbaserade, region-growing m.fl.

- Låt onkologen istället kvalitetssäkra och finjustera vid behov

- ”Enkelt” för CT (fyra grundkontraster)

- Lite knepigare för MR

- Syfte: effektivitet

3Bondiau P. U. et al, ”Atlas-based automatic segmentation of MR images: validation study on the brainstem in radiotherapy context”, Int J Radiat Oncol Biol Phys 61:289-98, 2005

4Mikheev A. et al, ”Fully automatic segmentation of the brain from T1-weighted MRI using Bridge-Burner algorithm”, J Magn Reson Imaging 27:1235-1241, 2008

5Pasquier D. et al, ”Automatic segmentation of pelvic structures from magnetic resonance images for prostate cancer radiotherapy”, Int J Radiat Oncol Biol Phys 68:592-600, 2007

6Klein S. et al, ”Automatic segmentation of the prostate in 3D MR images by atlas matching using localized mutual information”, Med Phys 35:1407-17, 2008

Kommersiella lösningar

1. Bra förutsättningar för lyckad integration av MRiRT: – Förstå att MRiRT på riktigt är ett relativt nytt fält, finns inget facit, inte

självklart, inte bara trycka på knapp, måste kompetensförsörjas, många obesvarade icke-triviala frågeställningar

– Ha en multidisciplinär arbetsgrupp med prioriterings- och beslutsrätt

• Radiolog, Onkolog, Strålfysiker, MR-fysiker, ONK/MR-ssk, representation från ledning

– MEN det är naturligtvis bättre att köpa en MR än att inte göra det!

2. Kvalitetssäkring/rutinetablering för bildflödet/hanteringen får inte förbises – Kartläggning av adderade/subtraherade osäkerheter för

ställningstagande till PTV-marginaler (riskanalys?)

– Förankrade, skriftliga rutiner över ansvarsfördelning vad gäller registrering

Slutsatser

Tack för mig

Kurs ”MR och Strålterapi”radiofysik.org/documents/userfiles/pages/2454... · Presentation av...

Documents

Transcript of Kurs ”MR och Strålterapi”radiofysik.org/documents/userfiles/pages/2454... · Presentation av...