Hyperthermie Behandlungsplanung und Hybridhyperthermie

Abstract

Die Arbeit beschreibt die schrittweise Entwicklung der Hybrid-Hyperthermie, einer Kombination aus einer Radiofrequenz-Hyperthermie Einheit mit kontinuierlicher MR-tomographischer Überwachung. Die ersten Forschungsarbeiten konzentrierten sich auf die Validierung des ersten dreidimensionalen Hyperthermie-Behandlungsplanungs-Systems (HTPS) anhand bereits vorliegender therapeutischer Messdaten (Originalarbeit 1). Im Ergebnis erwies sich das Planungssystem als tragfähiges „Konzept“ für die ersten technischen Therapiesimulationen, um grundsätzliche Fragen zur „Hardware“ der Hyperthermie zu beantworten. Dabei standen die virtuelle Entwicklung und Testung von 3D–steuerbaren Applikatoren sowie deren optimale Positionierung im Vordergrund (Originalarbeit 2). Parallel erfolgten erste Optimierungen der Therapiekontrolle und –dokumentation mittels nichtinvasiver Thermometrie über MRT. Auf der Grundlage dieser Forschungsergebnisse wurde der Forschungsschwerpunkt auf die Zusammenführung der nicht invasiven Thermometrie mit 3D-steuerbaren Applikatoren verlagert. Mit dem Aufbau und der Inbetriebnahme des Hybridsystems (Originalarbeit 3) wurde technisch das erste MRT-Hyperthermie-Hybridsystem realisiert, das die Überwachung der 3D- gesteuerten Hyperthermie in allen Körperregionen erlaubte. Die Entwicklung der simultanen, nicht invasiven, dreidimensionalen Thermometrie machte erstmals den therapeutischen Prozess sichtbar (Originalarbeit 4) und erlaubte erste einfache, manuelle Korrekturen der 3D Steuerung der Applikatoren. Heute steht nach zwei Messungen automatisch mit der Doppel-Echo Protonen Resonanzfrequenz Shift Methode (DE-PRFS) mit Driftkorrektur eine 3D-Temperaturverteilung mit hoher Präzision zur Verfügung. Die erste klinische Evaluation der Thermometrie erfolgte über den Vergleich der invasiven und minimal invasiven Thermometrie bei Patienten mit Rektum-Karzinom-Rezidiven (Originalarbeit 5) und Patienten mit Weichteilsarkomen (Originalarbeit 6). Die Ergebnisse der Messungen belegten die prinzipielle Durchführbarkeit und Korrektheit der Daten sowie deren klinische Relevanz. Die Validierung des Hyperthermie Behandlungsplanungssystem wurde jetzt mittels 3D-MR-thermometrischer Daten erneut durchgeführt (Originalarbeit 7) und belegte die hohe Präzision der Mess- und der Planungsqualität. Diese Ergebnisse leiteten unmittelbar die ersten Optimierungsversuche des neuen Hybridsystems ein. Für die Optimierung der klinisch eingesetzten Hybridhyperthermie wurden als neues Verfahren (Originalarbeit 8) die Adaption der Planung und die computergesteuerte Online- Optimierung entwickelt. Sie korrigiert die verbleibenden Differenzen zwischen Vorausplanung und aktueller, nicht invasiver Temperaturmessung und eröffnet die Möglichkeit zur situationsgerechten Optimierung.

This work shows the stepwise development of hybrid hyperthermia, which is a combination of a radio frequency hyperthermia system with a continuous MR control. The first step was the validation of the first 3D hyperthermia treatment planning system (HTPS) by use of existing patient treatment data (paper 1). The result was, that the planning system is a good concept for the first technical treatment simulations to solve cardinal problems of the hyperthermia hardware. Most important was the development and testing of 3D controllable applicators as well as their optimal positioning during treatment (paper 2). Concomitant there was the first optimisation of treatment control and documentation with non invasive thermometry by MRI. On the base of these results the main research was focussed to the combination of non invasive thermometry with 3D controllable applicators. With building and implementation of the hybrid system (paper 3) the first MR hybrid hyperthermia system was realized for control of 3D controllable hyperthermia in all regions of the body. This development of simultaneous non invasive thermometry showed for the first time the therapeutically process (paper 4) and permitted first simple manual corrections of the 3D steering of the applicator. Today, after two measurements we have automatically with the double-echo proton-resonance- frequency-shift method (DE-PRFS) with drift correction a 3D temperature dataset with a high precision. First clinical evaluation of this thermometry was made by the comparison of invasive and minimal invasive thermometry in patients with rectal cancer recurrences (paper 5) and patients with soft tissue sarcomas (paper 6). These data show the proof of principle and the correctness of the measurement as well as their clinical value. The validation of the HTPS was now repeated by 3D MR thermometry (paper 7) and the results show the high precision as well as the quality of the measurement and the planning itself. These results led directly to the first optimisation tests with the new hybrid system. For optimisation of clinical used hybrid hyperthermia a new method was developed (paper 8), the adaption of planning and computer supported online optimisation. This method corrects the residual differences between treatment planning and online non invasive thermometry and opens the door for proper optimisation.