Automatisierte volumetrische Abgrenzung heterogener Tumoren in der PET

Ziel/Aim:

Die akkurate Abgrenzung von Tumoren in der PET gewinnt zunehmend an Bedeutung für die Strahlentherapie sowohl bei der Zielvolumendefinition als auch bei der Bewertung des Therapieansprechens. Für hinreichend homogen anreichernde Tumoren liefern adaptive Schwellwertverfahren, die neben einem Tumor-Referenzwert R (z. B. dem ROI-Maximum) den Untergrund Bg in der Tumorumgebung berücksichtigen, gute Ergebnisse. Der Schwellwert entspricht hierbei einer bestimmten 3D-Isokontur, welche die Tumorabgrenzung definiert. Bei stark heterogenen Tumoren kann es mit adaptiven Schwellwertverfahren jedoch zu merklichen Fehlern bei der Abgrenzung kommen, da die Grenzfläche nicht länger durch eine Isointensitätskontur gegeben ist. Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer Abgrenzungsmethode, die auch bei stark heterogenen Zielstrukturen einsetzbar ist.

Methodik/Methods:

Die neue Methode (TV) kann als eine Erweiterung der adaptiven Schwellwertverfahren (TK) betrachtet werden, wobei statt eines ortsinvarianten, konstanten Schwellwertes ein voxelabhängiger Schwellwert berechnet wird, indem separat fuer jedes Voxel Bg und R in der Voxelumgebung bestimmt werden. Der absolute Schwellwert für das aktuell betrachtete Voxel ist dann gegeben durch T_abs = T x (R - Bg) + Bg, wobei die Konstante T = 0.39 in Phantommessungen mit homogen gefüllten Kugeln bestimmt wurde.

Der zugrunde liegende Algorithmus ist iterativ und benoetigt als Startwert eine grobe initiale Abgrenzung, welche durch einen benutzerdefinierten Schwellwert erfolgt. Unabhängig für jedes Voxel innerhalb der initialen Abgrenzung werden Bg und R bestimmt. Die zur Untergrundbestimmung genutzte Umgebung des Voxels ist hierbei durch eine Kugel mit Durchmesser 3 x FWHM definiert. Bg ergibt sich als Mittelwert über alle Voxel in dieser Kugel mit einem Mindestabstand zur derzeitigen Schätzung der ROI-Grenzfläche von 1 x FWHM. R ist der Maximalwert innerhalb der Kugel. Durch Anwendung von T_abs für jedes betrachtete Voxel ergibt sich sodann eine erste Schätzung der ROI-Grenze, die Ausgangspunkt des nächsten Iterationsschrittes ist. Iteration erfolgt bis zur Konvergenz des resultierenden ROI-Volumens.

Validierung: 10 klinische Datensätze (5 Bronchial-, 5 Kopf-Hals CA) dienten zur Simulation praxisnaher Bilddaten mit 10 stark heterogenen Tumoren bekannten Volumens (Heterogenität: 35 +/- 8%). Volumenabgrenzung erfolgte mit TK und TR.

Ergebnisse/Results:

Folgende Abweichungen vom wahren Volumen wurden bestimmt: TV: (6.9 +/- 6.6)%, TK: (47.5 +/- 16.8)%. Im Gegensatz zu TK führt TV zu einer sehr guten Reproduktion der wahren Volumina.

Schlussfolgerungen/Conclusions:

In simulierten praxisnahen Datensätzen liefert das neue Verfahren eine deutlich genauere Abgrenzung bei stark heterogenen Zielstrukturen als das konventionelle Verfahren. Die Eignung der Methode für den klinischen Einsatz muss noch näher untersucht werden.