Sichere Behandlung dank Softwarekontrolle

Dazu gehören eine lange Behandlungsdauer, ein hohes Rezidivrisiko oder die Schädigung gesunder Organe. Jetzt entwickeln Fraunhofer-Forscher eine Software, die die Behandlung schonender und sicherer macht.

Bei der MR-gestützten FUS-Therapie liegt der Patient in einem Magnetresonanztomografen (MRT). Die Mediziner lokalisieren mithilfe der MRT-Bilder die genaue Lage des Tumors. Dann sendet ein Radiologe hochintensive, gebündelte Ultraschallwellen direkt auf den Tumor, wodurch im Fokuspunkt, ähnlich wie bei einer optischen Linse, Temperaturen von über 56 °C entstehen. In mehreren Behandlungsschritten wird so der gesamte Tumor zerstört.

Die Behandlungsdauer liegt bei zwei bis vier Stunden pro Sitzung, in denen sich der Patient kaum bewegen darf und teilweise die Luft anhalten muss, damit der Fokuspunkt der Ultraschallwellen nicht auf gesundes Gewebe trifft, sondern die Tumorregion erreicht. Studien zur Behandlung von Tumoren im Abdomen (Uterus, Leber, Niere oder Blase) zeigen ein hohes Potenzial der MRT-gestützten FUS-Therapie, die allerdings in ihrer derzeitigen Form von technischen Problemen hinsichtlich der Fokussierung erschwert wird: Im Gegensatz zum Uterus bewegen sich die übrigen Organe des Abdomens durch die Atmung des Patienten stark. Die daraus resultierenden Verschiebungen der Organe lassen eine zielsichere Ultraschall-Behandlung nicht zu. Daher sind Strategien für Planung und Therapie notwendig, die die durch die Atmung entstehenden Organbewegungen mit einbeziehen. Darüber hinaus schirmen die menschlichen Rippen die Ultraschallwellen ab. Die Fraunhofer-Software soll den Medizinern eine sichere Vorhersage über die Bewegung der Organe und über die Wirkung der Schallwellen im Gewebe liefern und zudem durch adaptive Anpassung der Ultraschall-Wellen die Bewegungen im Körper ausgleichen.

Das Fraunhofer-Institut konzentriert sich bei der Entwicklung der Software auf die Identifikation und Verfolgung von Organbewegungen sowie die Vorhersage von Organveränderungen während der Behandlung. Faktoren wie die Atmung des Patienten werden in Echtzeit analysiert, sodass eine Bewegungskompensation während der Bestrahlung möglich wird. Dazu werden die während der Therapie aufgenommenen MRT-Bilder verarbeitet und die Bewegung relevanter Strukturen extrahiert. Daneben liefern unterschiedliche außerhalb des Körpers befindliche Sensoren weitere Informationen über die Atmung des Patienten. Zur Realisierung der Bewegungskompensation entwickeln die Forscher eine Verarbeitungskette von mehreren, aufeinander abgestimmten Algorithmen. Zur Identifikation und Verfolgung von Organbewegungen innerhalb einer MRT-Bildsequenz müssen zunächst die markantesten Regionen gefunden werden. Sie bilden die sogenannten „Featurepunkte“ im Datensatz. Mithilfe von Bildberechnungsverfahren wie dem „Optischen Fluss“ oder der „Deformierbaren Registrierung“ kann anschließend eine bildbasierte Objektverfolgung („Tracking“) stattfinden. Dazu müssen die zeitlich aufeinanderfolgenden MRT-Daten überlagert und die korrespondierenden Featurepunkte im neuen Volumendatensatz zugeordnet werden. Das Resultat ist ein Vektorfeld, das die Bewegung beziehungsweise die Deformation des Tumors widerspiegelt und somit eine Bewegungsverfolgung ermöglicht. Auf diese Weise kann der Ultraschall-Sender neu fokussiert werden, auch wenn der Patient normal weiteratmet. Die Forscher gehen jedoch noch einen Schritt weiter. Durch die Implementierung einer prädiktiven Simulation der Organdeformation wird es möglich, die zukünftige Position des Tumors zu schätzen. Die so gewonnenen Informationen erlauben ein schnelles Reagieren auf neue Gegebenheiten. Um die Verfahren so effizient wie möglich zu machen, werden die komplexen Echtzeitalgorithmen auf der GPU implementiert.

COMPAMED.de; Quelle: Fraunhofer-Institut für Rechnerarchitektur und Softwaretechnik FIRST