Robotische Systeme und Regelungsstrategien für die Radiotherapie bewegter Tumore

• Robotic systems and control strategies for radiotherapy of moving tumors

Arenbeck, Henry; Abel, Dirk (Thesis advisor); Corves, Burkhard (Thesis advisor)

Aachen : Shaker (2015)
Buch, Doktorarbeit

In: Berichte aus der Medizintechnik
Seite(n)/Artikel-Nr.: XI, 256 S. : Ill., graph. Darst.

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Kurzfassung

Die Radiotherapie bewegter Tumoren befindet sich aktuell in einem Generationswechsel hin zu 4D-Verfahren, die die Strahlendosis sowohl volumen- als auch zeitkonform applizieren und korrespondierend eine intrafraktionelle Regelung der Dosisapplikation erfordern. Ein Ansatz zur Realisierung eines 4D-Radiotherapieverfahrens ist die Führung der Liege des unter Bestrahlung befindlichen Patienten durch einen seriellkinematischen Knickarmroboter mit dem Ziel, die bestrahlten Gewebestrukturen inertial stillzulegen. Dieser Ansatz ermöglicht eine hohe Genauigkeit der Bewegungskompensation sowie resultierend aus dem hohen Arbeitsraum des Knickarmroboters eine effiziente Patientenlogistik und erweiterte Gestaltungsmöglichkeiten des Bestrahlungsprogramms. In dieser Arbeit wird ein neuartiges robotergestütztes 4D-Phantom vorgestellt, das hochdimensionale Bewegungen des bestrahlten Volumens relativ zu dessen menschäquivalenter Umgebung erzeugt. Desweiteren werden Prädiktions- und Regelungsverfahren, die zur robotergestützten Kompensation respirationsbedingter Gewebebewegungen eingesetzt werden können, vorgestellt und sowohl theoretisch als auch versuchsbasiert miteinander verglichen. Die Hauptmerkmale, durch die sich ein 4D-Phantom auszeichnen sollte, sind: (1) Mensch-äquivalenter Aufbau, (2) Mensch-äquivalente Bewegungen, (3) umfassende Messfähigkeiten, (4) universelle Einsetzbarkeit und (5) effizienter Gebrauch. Das in dieser Arbeit vorgestellte 4D-Phantom weist erstmalig hohe Performanz hinsichtlich jedes dieser Hauptmerkmale auf. Das 4D-Phantom ist modular konzipiert, ermöglicht eine sechsdimensionale Bewegung des bestrahlten Volumens und verwendet einen neuartigen parallelkinematischen Roboter, der eine Einstellung der erzeugten Bewegung in drei Freiheitsgraden ermöglicht. In der klinischen Praxis wurde das 4D-Phantom erfolgreich zur Validierung verschiedener Verfahren der Bildgebung und Radiotherapie eingesetzt.Verschiedene Prädiktionsverfahren, die auf adaptiven linearen Filtern, lokaler Regression, adaptiven Intervall Typ zwei Neuro Fuzzy Inferenz Systemen oder Modellen des erwarteten Verlaufs des prädizierten Wertes basieren, wurden implementiert und unter Berücksichtigung der Anforderungen der 4D-Radiotherapieanwendung erprobt, bewertet und miteinander verglichen. Dies erfolge auf Basis von realen Beispielbewegungen sowie elf Bewertungskriterien, die auf insgesamt achtunddreißig Eigenschaftswerten basieren. Filter mit endlicher Impulsantwort, deren Koeffizienten mit Hilfe des Verfahrens der rekursiven kleinsten Quadrate gleitend adaptiert werden, wurden als bestgeeignet identifiziert.Zur Realisierung einer robotergestützten inertialen Stilllegung von respirationsbedingt bewegten Tumoren kommen prinzipiell die folgenden Regelungsverfahren in Betracht: (1) Adaptive Identifikation und Kompensation der Latenzzeit des Roboters, (2) kombinierte Vorsteuerung und Regelung, (3) modellbasierte prädiktive Regelung und (4) periodenrobuste repetitive Regelung. Die theoretischen Vor- und Nachteile dieser Regelungsverfahren wurden durch eine Auswertung der mit diesen Verfahren unter realen Bedingungen erzielten Regelungsergebnisse ergänzt. In diesem Zusammenhang wurden die in realen Atembewegungen auftretenden Abweichungen von einem periodischen Verlauf statistisch quantifiziert. Aufgrund der hohen Ausprägung dieser Abweichungen erscheint eine gewinnbringende Einsetzbarkeit von Varianten der repetitiven Regelung fraglich. Kombinierte Vorsteuerung und Regelung sowie modellbasierte prädiktive Regelung wurden als bestgeeignet identifiziert. Der Roboter des 4D-Phantoms, ein ausgewähltes Prädiktionsverfahren, ein ausgewähltes Regelungsverfahren, ein Knickarmroboter und ein optisches Trackingsystem wurden zu einem repräsentativen Ersatzsystem zur robotergestützten Gegenführung respirationsbedingter Bewegungen kombiniert. Darauf aufsetzend wurden die Realisierbarkeit und der Nutzen eines solchen Systems unter realen Bedingungen demonstriert.