MRI evaluation and image processing in gel dosimetry. A study of selected MRI properties and image processing in 3D gel dosimetry

Abstract: Popular Abstract in Swedish Inom sjukvården används strålning för att behandla cancer. Vid strålbehandling är det viktigt att man i förväg vet precis hur strålningen ska ges till patienten för att resultatet av behandlingen skall bli bra. Ett hjälpmedel som används för detta är ett datorprogram (dosplaneringssystem) som, med utgångspunkt från patientens anatomi, beräknar hur varje enskild patient bör behandlas. Det man vill uppnå är att så stor andel som möjligt av stråldosen skall ges till tumören och så liten andel som möjligt till frisk vävnad. Det är viktigt att man kan kontrollera att dosplaneringssystemen räknar rätt. För det ändamålet kan man använda speciella kontrollsystem. Sådana kontrollsystem (strålningsdetektorer/dosimetrar) har det gemensamt att de mäter stråldosen (dosfördelningen). En ny metod som har goda förutsättningar att kunna kontrollera även mycket komplexa dosfördelningar är geldosimetern. En geldosimeter består av en behållare som innehåller en strålningskänslig gel. En fördel är att denna teknik mäter den totala dosfördelningen i en hel volym samtidigt. När strålning absorberas i gelen ändras dess magnetiska egenskaper vilket kan registreras genom att man tar en bild av gelen med magnetisk resonanstomografi (MRI). I denna avhandling har MRI-utläsningstekniken för geldosimetrar studerats. I studierna framgår att en rad egenskaper i MRI-utvärderingen kan påverka mätresultaten negativt. De två mest kritiska egenskaperna är att MRI-systemet kan ge bilder med kraftiga intensitetsvariationer över bildplanet (bildplansinhomogenitet), samt ge bilder behäftade med brus. I avhandlingen har också en robust bildanalysmetod för att erhålla mått på bildplansinhomogenitet tagits fram. Metoden inkluderar alla intensitetsvariationer över bildplanet och är okänslig för bruset i bilden. Två typer av geldosimetrar studerades i avhandlingen. För den ena typen av geldosimeter sker förändringen av gelens magnetiska egenskaper till följd av oxidation av järnjoner. Kraftiga bildplansinhomogeniteter kunde observeras för denna typ av geldosimeter när den lästes ut med ett frekvent använt MRI-insamlingsprotokoll. Dessa inhomogeniteter kunde inte tillräckligt reduceras med enklare bildbehandlingsmetoder. De kraftiga bildplansinhomogeniteterna kunde undvikas om ett annat insamlingsprotokoll användes för denna typ av geldosimeter. För den andra typen av geldosimeter sker förändringen av gelens magnetiska egenskaper till följd av polymerisation. För denna typ av geldosimeter utvecklades ett MRI-insamlingsprotokoll (3D-insamling) som kunde läsa ut geldosimeterns dosfördelning med den höga upplösningen 1 mm i rummets alla tre dimensioner. Denna insamlingsteknik har normalt sett även andra fördelar, som t.ex. reducering av brus, men de kunde inte förverkligas i dessa försök. Det krävs därför vidare utveckling och analys av detta insamlingsprotokoll. Jämförelser mellan bilder med dosfördelningar, beräknade med dosplaneringssystem och mätta med geldosimeter, kräver bildbehandling. Ett bildbehandlingsprogram, avsett att inkludera de bildbehandlingsfunktioner som krävs för sådana jämförelser i tre dimensioner utvecklades (PMRelax), och visade sig kunna utföra den erforderliga bildbehandlingen. Programmet utrustades också med ett grafiskt användargränssnitt för att understödja rutinmässig användning inom geldosimetri. Utvecklingen av ett 3D MRI-insamlingsprotokoll och PMRelax möjliggjorde ett första försök till kontroll av ett dosplaneringssystem, med en upplösning av 1 mm i rummets alla tre dimensioner både för geldosimeterdata och dosplaneringsdata. En metod som använder externa markörer för att få geldosimeterbilder och dosplaneringsbilder att stämma överens (matchning), gav en god överensstämmelse i tre dimensioner mellan motsvarande positioner i respektive bildvolym. Genom att använda denna metod kan osäkerheter, orsakade av matchningen själv, reduceras i jämförelser mellan dosfördelningar beräknade med dosplaneringssystem och mätta med geldosimetrar. Sammanfattningsvis så har dessa studier tillsammans medfört att geldosimetri har förbättrats och förts ytterligare ett steg närmre klinisk användning.