Snelle vooruitgang in beeldvormingstechnieken op basis van computertomografie (CT) hebben geleid tot een revolutie in de behandeling van kankerpatiënten met behulp van radiotherapie. Een röntgenscan van slechts enkele seconden levert een nauwkeurige 3D-visualisatie van de interne anatomie van de patiënt op en levert de kritieke informatie die medisch fysici nodig hebben om de optimale dosisverdeling voor de behandeling van de tumor te berekenen. Door voortdurende vooruitgang in CT-technologieën hebben klinische teams toegang gekregen tot beelden van hogere kwaliteit die een nauwkeurigere targeting van de tumor mogelijk hebben gemaakt, terwijl de schade aan gezonde organen en weefsels tot een minimum wordt beperkt.
Conventionele CT-beelden kunnen echter soms het contrast missen dat nodig is om duidelijk onderscheid te maken tussen verschillende soorten zacht weefsel. Dat maakt het voor radiotherapeut-oncologen moeilijk om de grootte en vorm van de tumor precies te bepalen, en om de nabijgelegen organen, weefsels en bloedvaten die moeten worden beschermd tegen ioniserende straling te omlijnen. Een andere opmerkelijke beperking van de standaard CT-scans die conventioneel worden gebruikt op radiotherapieafdelingen, is dat ze alleen anatomische informatie verstrekken en dus geen functionele processen kunnen onthullen die enig aanvullend inzicht kunnen bieden voor de behandelplanning.
Voor gevallen die een verbeterd wekedelencontrast of functionele informatie vereisen, wordt CT vaak gecombineerd met andere beeldvormingsmodaliteiten zoals magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) of positronemissietomografie (PET). Hoewel Siemens Healthineers MRI- en PET-oplossingen biedt die zijn geoptimaliseerd voor radiotherapie en voor beeldvorming van patiënten in de beoogde behandelpositie, zijn dergelijke complementaire beeldvormingsmethoden in sommige situaties mogelijk niet beschikbaar. Voor het nemen van klinische beslissingen, met name wanneer kritieke organen in gevaar zijn - zoals in het hoofd-halsgebied, de borst of de buik - is een verbeterd weke-delencontrast cruciaal.
Nu begint echter een nieuwe methode die de kwaliteit van CT-beelden kan verbeteren een verschil te maken in radiotherapieklinieken. Deze techniek, ook wel dual-energy CT of DECT genoemd, verkrijgt CT-beelden van twee verschillende röntgenspectra in plaats van één. Conventionele CT legt beelden vast met behulp van een enkele röntgenstraal, die een spectrum van fotonenenergieën heeft met een gemiddelde van ongeveer 70 keV en een typische piekenergie van 120 keV. Het beeldcontrast van elk materiaal hangt af van hoe goed het röntgenstralen dempt, wat op zijn beurt weer afhankelijk is van energie.
"Bij standaard CT-energieën heeft het grootste deel van het zachte weefsel dat we proberen af te beelden zeer vergelijkbare verzwakkingscoëfficiënten", legt Jainil Shah uit, een onderzoeksprofessional en R&D-samenwerkingswetenschapper bij Siemens Healthineers. "Dat betekent dat de meeste organen erg op elkaar lijken wanneer ze worden gevisualiseerd op een CT-afbeelding."
Routes naar dual-energy CT bij radiotherapie
DECT verzacht dit probleem door beelden te genereren van röntgenscans die over twee verschillende energiebereiken zijn genomen. Sinds de eerste experimenten die het potentieel van dual-energy CT in de jaren zeventig aantoonden, zijn er verschillende benaderingen ontstaan voor het verkrijgen van DECT-beelden - en elk heeft zijn voor- en nadelen. De eenvoudigste manier is om de patiënt twee keer te scannen met twee verschillende energieën, een techniek die bekend staat als "Dual Spiral" of "Twin Spiral". Dergelijke opeenvolgende scanning kan een uitstekend beeldcontrast bieden, aangezien het een brede scheiding tussen de twee spectra mogelijk maakt. Omdat bewegingen van de patiënt tussen de twee scans fouten kunnen veroorzaken, wordt tijdens de nabewerking automatisch een niet-rigide beeldregistratie tussen de twee beelden uitgevoerd om eventuele positieveranderingen te compenseren en te compenseren. “Dat maakt Dual Spiral DECT het meest geschikt voor niet-bewegende gebieden zoals de hersenen en het hoofd-halsgebied”, zegt Shah.
Andere technieken vangen de twee spectra tegelijkertijd op, waarbij alle informatie in een enkele scan wordt vastgelegd en de blootstelling van de patiënt aan röntgenstraling wordt beperkt. Een optie die Siemens Healthineers biedt, is om de röntgenstraal te splitsen met behulp van een filter in de scanrichting, waardoor twee afzonderlijke stralen met verschillende gemiddelde energieën worden gecreëerd. Dergelijke TwinBeam-technologie biedt een breed gezichtsveld, maar het gebruik van een filter beperkt de spectrale scheiding en daarmee het te bereiken beeldcontrast.
De derde optie van Siemens Healthineers is een CT-scanner die gebruikmaakt van twee röntgenbronnen die werken op verschillende energieën, elk gekoppeld aan een eigen detector. Deze Dual Source-benadering biedt een betere spectrale scheiding dan de TwinBeam-technologie, en dus scherpere beelden voor het plannen van behandelingen, evenals meer röntgenstraling in elk van de afzonderlijke bundels. Het gezichtsveld is iets kleiner omdat de apparatuur plaats moet bieden aan twee afzonderlijke röntgenbuizen, waarmee rekening moet worden gehouden bij het afbeelden van grotere delen van het lichaam.
Deze DECT-systemen worden al routinematig gebruikt in radiologische klinieken voor diagnostische beeldvorming, terwijl voortdurende verbeteringen aan de scanners en de software het voor radiotherapiecentra veel gemakkelijker hebben gemaakt om de techniek in hun klinische workflow te integreren. "De scan kan door elke technicus in de kliniek worden verkregen en alle informatie die de radiotherapeut-oncoloog nodig heeft, wordt automatisch gegenereerd", legt Shah uit. "Klinische workflows kunnen in de software worden ingesteld om automatisch extra nabewerking en beeldreconstructie uit te voeren vanaf een enkele scan."
Door röntgenspectra met twee verschillende energieverdelingen vast te leggen, is het mogelijk om een beeld te reconstrueren met elke enkele energie. Dit levert een reeks virtuele mono-energetische beelden (VMI's) op, ook wel Mono-energetic Plus genoemd - met energieën variërend van ongeveer 40 keV tot 190 keV - die kunnen worden gebruikt om het weke-delencontrast te optimaliseren. "De energie kan eenvoudig worden gewijzigd met een schuifbalk in de software", legt Shah uit. “De radiotherapeut-oncoloog kan bepalen welke energie het beste contrast geeft voor contouren van organen.”
Shah zegt dat dual-energy CT ook functionele informatie kan verschaffen over dynamische processen in het lichaam, zoals perfusie in de longen of de opname van jodium in verschillende organen en bloedvaten. Het vastleggen van röntgenspectra over twee verschillende energiebereiken maakt het bijvoorbeeld mogelijk om de materiaalsamenstelling te bepalen, aangezien de verzwakking van röntgenstralen in elk materiaal afhankelijk is van energie.
"Dat betekent dat je dingen kunt doen zoals bot uit de afbeelding verwijderen of onderscheid maken tussen vet- en leverweefsel", zegt Shah. "Van de materiaalsamenstelling kun je de elektronendichtheid van het materiaal voorspellen (Rho-beeld), de belangrijkste informatie die wordt gebruikt voor dosisberekeningen bij bestralingstherapie." Voor protontherapie biedt Siemens Healthineers een specifieke reconstructie genaamd "DirectSPR" die: berekent de remkrachtverhouding van dual-energy CT.
Naar de kliniek
Door voortdurende vooruitgang in technologie en software kunnen medische teams nu dual-energy CT integreren in hun klinische praktijk.
Beth Bradshaw Ghavedel, Emory University, VS – DECT voor hoofd-halspatiënten
Beth Bradshaw Ghavidel, een van de belangrijkste medische fysici aan de Emory University, zegt dat TwinBeam DECT voornamelijk wordt gebruikt voor hoofd-halspatiënten, waarbij VMI's bij hogere energieën kunnen helpen om de artefacten te verwijderen die voortkomen uit metalen voorwerpen in het lichaam, zoals tandvullingen (DECT is compatibel met iteratieve reconstructie van metalen artefacten, iMAR). "Het is eenvoudig om de gewenste dual-energy CT-workflows op de scanner in te stellen en automatische naverwerking mogelijk te maken", zegt Bradshaw Ghavidel. “Afhankelijk van welke CT-scans nodig zijn, kan de dosimeter specifieke onderzoeken selecteren om te importeren. Op dit moment hebben we onze klinische workflow niet hoeven te wijzigen voor aanvullende beeldvormende onderzoeken."
Lili Chen, Fox Chase Cancer Center, VS – DECT voor intracraniële doelafbakening en rectale tumoren
Lili Chen van het Fox Chase Cancer Center heeft ook het potentieel van dual-energy CT onderzocht om de beeldkwaliteit voor verschillende ziektelocaties te verbeteren. Bij het in beeld brengen van het hoofd en de nek ontdekte ze – net als Bradshaw Ghavidel – dat een VMI van 190 keV een effectieve manier is om de artefacten veroorzaakt door tandvullingen en jodiumopname in het zachte gehemelte te verminderen. Chen heeft ook DECT-beelden van hersentumoren bij 34 verschillende patiënten vergeleken met die met MRI. Toen een jodiumcontrastmiddel werd gebruikt, ontdekte ze dat een VMI bij 40 keV metastasen in de hersenen kan onthullen die niet worden gedetecteerd door conventionele CT of door VMI's bij hogere energieën. Wat meer is, in deze onderzoeksstudie het hersentumorvolume afgeleid van het 40 keV DECT-beeld was vergelijkbaar met dat verkregen uit MRI.
"Betekenisvolle klinische verschillen werden gevonden op CT-beelden met contrast, waarbij het 40 keV-beeld de tumor veel duidelijker afbakent dan beelden die met andere energieën zijn genomen", merkt Chen op. "Onze resultaten suggereren dat dual-energy CT met contrast kan worden gebruikt voor intracraniële doelafbakening bij de planning van radiotherapiebehandelingen." Analyse van een rectale tumor onthulde ook duidelijke verschillen tussen beelden genomen bij verschillende energieën, waarbij de foto genomen bij 40 keV duidelijk het necrotische gebied van de tumor liet zien en aangaf dat kankercellen zich hadden verspreid naar de aangrenzende zaadvaten.
Xiaofeng Yang, Emory University Hospital – DECT-beeldcontrast voor contouren van hoofd-halsgevallen
Ook aan de Emory University heeft Xiaofeng Yang samengewerkt met Bradshaw Ghavidel en andere collega's om te onderzoeken of dual-energy CT de precisie kan verbeteren van een diepgaand leermodel dat ze hebben ontwikkeld voor automatische orgaansegmentatie. in een recente onderzoeksstudie, ontwierpen ze een neuraal netwerk dat DECT-gegevens gebruikt om automatisch 19 risicoorganen in het hoofd en de nek te segmenteren, en trainden ze het model met behulp van handmatige contouren die zijn geproduceerd voor 66 patiënten met carcinomen op verschillende ziektelocaties. Automatische contouren die met het op DECT gebaseerde model werden gegenereerd, werden vervolgens vergeleken met handmatige contouren die door een arts waren geproduceerd, evenals met contouren die werden verkregen met behulp van hetzelfde model dat werd ontwikkeld in het Emory University Hospital met conventionele CT-gegevens. "DECT-gebaseerde segmentatie van risicoorganen heeft het potentieel om de huidige workflow voor hoofd-halsbestralingstherapie bij de behandelingsplanning te vergemakkelijken", besluit Yang.
George Noid, Medical College Wisconsin (MCW), VS – DECT in klinische routine en voor het volgen van het effect van behandeling
George Noid, een medisch fysicus bij MCW, zegt dat dual-energy CT nu in routine klinisch gebruik is voor bijna alle kankerpatiënten, met name degenen die behandeling in de buik of borstkas nodig hebben. "We gebruiken de VMI-reconstructies om het beeldcontrast te verbeteren", zegt hij. "Naast abdominale en thoracale patiënten, hebben we ontdekt dat het erg nuttig is voor pre-operatieve borstkanker en andere zeldzame ziekteplaatsen in de buik, zoals de bijnieren."
Een bijzonder lastig probleem dat Noid in de toekomst hoopt aan te pakken, is het verbeteren van de beelden die worden gebruikt om de behandeling van alvleesklierkanker te plannen. "We willen zoveel mogelijk straling afgeven aan de pancreaskop, maar de belangrijkste beperkende factor is de hoeveelheid straling die we kunnen leveren aan de aangrenzende twaalfvingerige darm", legt hij uit. "Dat maakt het klinisch belangrijk om de rand tussen de pancreaskop en de twaalfvingerige darm nauwkeurig te definiëren." in een recente onderzoeksstudie, Noid en collega's vergeleken conventionele CT-gegevens met dual-energy CT-scans van 10 patiënten die werden behandeld voor alvleesklierkanker, en in elk geval werd het beeldcontrast verbeterd door op jodium gebaseerde contrastmedia vóór de scan in de patiënt te injecteren. Ze ontdekten dat het beeldcontrast met een factor 2.8 werd verhoogd voor de VMI bij de laagst mogelijke energie van 40 keV, terwijl een andere belangrijke indicator van de beeldkwaliteit, de contrast-ruisverhouding, ook bij deze energie werd gemaximaliseerd. Beelden van andere behandelplaatsen, waaronder de lever, borst en thymus, toonden ook aan dat de tumoren duidelijker zichtbaar waren bij 40 keV dan bij hogere energieën.
Noid onderzoekt ook of kwantitatieve gegevens die zijn geëxtraheerd uit dual-energy CT-beelden kunnen worden gebruikt als een indicator van hoe goed een patiënt reageert op de behandeling. "Het is aangetoond dat de agressiviteit van alvleesklierkanker gecorreleerd is met de extracellulaire volume (ECV) fractie, die kan worden berekend op basis van een DECT-scan", legt hij uit. in een recente onderzoeksstudie, die de Best in Physics-prijs won op AAPM 2021, gebruikten Noid en collega's DECT-beelden die waren verkregen tijdens wekelijkse behandelsessies om de ECV-fractie te berekenen. Bij 12 pancreaskankerpatiënten onthulde de studie een correlatie tussen de ECV-fractie en de concentratie van een kankerantigeen in het bloed, wat suggereert dat regelmatige DECT-scanning zou kunnen worden gebruikt om het effect van de behandeling te volgen. “Dat biedt de mogelijkheid om de risico's van uw patiënt te stratificeren op basis van berekeningen van de ECV-fractie”, legt Noid uit. “Die informatie kan helpen om uw klinische beslissingen te sturen, zoals het geven van een hogere dosis aan een patiënt met een agressievere ziekte. Dat gebruiken we nog niet in onze klinische workflow, maar dat is het idee.”
Noid is ervan overtuigd dat DECT het potentieel heeft om meer kwantitatieve gegevens te leveren die in de toekomst kunnen worden gebruikt om de eigenschappen van de tumor te analyseren. "Het ontsluiten van die informatie zou klinisch zeer nuttig zijn", zegt hij. "We beginnen te zien dat DECT de macht heeft om toegang te krijgen tot die functionele informatie, en ik denk dat we nog veel meer kunnen doen."
- Meer informatie over dual-energy CT is beschikbaar in de: Dual Energy CT-kookboek van Siemens Healthineers
Merk op dat de hierin beschreven resultaten van de klanten van Siemens Healthineers gebaseerd zijn op resultaten die werden behaald in de unieke omgeving van de klant. Aangezien er geen "typisch" ziekenhuis is en er veel variabelen bestaan (bijv. ziekenhuisomvang, casemix, mate van IT-acceptatie), kan er geen garantie zijn dat andere klanten dezelfde resultaten zullen bereiken.
De post Imaging-innovatie verscherpt het zicht voor radiotherapieklinieken verscheen eerst op Natuurkunde wereld.
