Robotisierte Ultraschall-gestützte Bildgebung zur Echtzeit-Bewegungskompensation in der Strahlentherapie (RobUST)

Im Projekt wird die Möglichkeit zum kooperativen Einsatz zweier Robotersysteme in der Strahlentherapie untersucht. Im klinischen Einsatz zeichnet sich das auf einem Roboter basierende CyberKnife-System durch besonders viele Freiheitsgrade bei der räumlichen Strahlanordnung und die Möglichkeit des Ausgleichs von Atembewegungen durch synchrone Strahlbewegungen aus. Dadurch lassen sich präzise hochfokussierte Dosisverteilungen erreichen. Bisher erfolgt jedoch die Schätzung der Atembewegungen anhand extern messbarer Surrogatsignale. Ziel des Projektes ist es, die Echtzeit-Lageverfolgung des Zielgebietes mittels Ultraschall zu untersuchen, so dass auf Surrogatsignale verzichtet und auch atemunabhängige Bewegungen, beispielsweise durch die Darmtätigkeit, schnell erkannt werden können. Dazu soll ein Ultraschallkopf während der Bestrahlung durch einen Roboter am Patienten platziert werden. Bei der Bestrahlung muss das Zielgebiet fortlaufend mittels Ultraschall erfasst werden, während Strahlen aus verschiedenen Richtungen eingebracht werden. Daraus motivieren sich als Kernfragestellungen des Projektes, wie die Platzierung des Ultraschallkopfes kinematisch geeignet und sicher realisiert werden kann und wie die Abschattung von Einstrahlrichtungen in der Behandlungsplanung berücksichtigt werden kann. Um die Bildgebung bei minimaler Beeinträchtigung der Einstrahlrichtungen zu ermöglichen, wird untersucht, wie sich potentiell geeignete Positionen aus präoperativen Bilddaten bestimmen und mit einer redundanten Kinematik erreichen lassen. Die durch die Redundanz ermöglichten Konfigurationsänderungen bei gleicher Endeffektorstellung stellen eine Grundvoraussetzung für die Koordination der Bewegungen beider Roboter dar. Darüber hinaus ist die Bildqualität vom Druck des Ultraschallkopfes auf das Gewebe abhängig, so dass eine geeignete Kraftregelung erforderlich ist. Um die Sequenz der von beiden Robotern angefahrenen Positionen zu bestimmen, wird das der inversen Behandlungsplanung zugrunde liegende mathematische Optimierungsproblem erweitert. Statt einer Menge von Behandlungsstrahlen müssen zusätzlich Stellung und Konfigurationen des Ultraschall-Roboters sowie die zeitliche Abfolge der Stellungs- und Konfigurationswechsel bestimmt werden. Darüber hinaus werden Wechselwirkungen zwischen Schallkopfposition, Strahlengang und Position des Ultraschallroboters untersucht und für verschiedenen klinische Szenarien der mögliche Einfluss auf die Planqualität analysiert.