Stralingsdosis berekenen met behulp van spelcamera’s
Weet uw arts hoeveel stralingsdosis hij u geeft tijdens uw ingreep? Om de patiënt te beschermen wordt de regelgeving betreffende registratie van stralingsdosis steeds strenger. Bij ingrepen op interventionele radiologie is dit belangrijk omdat huidbrandwonden een reëel risico vormen ten gevolge van straling tijdens een ingreep. Bestaande methodes om de stralingsdosis bij dergelijke ingrepen te meten, hebben momenteel grote onzekerheden of zijn erg arbeidsintensief.
Het doel van mijn thesis is dan ook het bouwen van een systeem, genaamd DoseGuard, dat volledig automatisch, snel en zeer nauwkeurig de stralingsdosis van de patiënt kan bepalen. (zie figuur 1)
Figuur 1 - Schematische voorstelling van het DoseGuard systeem, een kort animatiefilmpje ter illustratie kan gevonden worden op https://youtu.be/yG9pjMmbv68
Wat is interventionele radiologie?
Het is een vorm van minimaal invasieve chirurgie waarbij medische beeldvorming gebruikt wordt. Deze technieken zijn onmisbaar bij het behandelen van ernstige hart- en vaataandoeningen. Hierbij zal de arts door een kleine incisie een katheter inbrengen en onder begeleiding van röntgenbeelden de aandoening behandelen. Door de complexiteit en de lange behandelingsduur kan de stralingsdosis die de patiënt ontvangt vele malen hoger zijn dan aanbevolen door officiële instanties met mogelijke brandwonden tot gevolg. Daarom is registratie van de door de patiënt ontvangen stralingsdosis bij dergelijke onderzoeken niet enkel bij wet verplicht, maar ook heel belangrijk om een adequate nazorg te kunnen voorzien.
Momenteel bestaan er al technieken om de huiddosis van de patiënt te bepalen door middel van metingen of berekeningen. De metingen worden uitgevoerd door stralingsdetectoren op de huid van de patiënt te plaatsen. Deze zijn echter duur, moeten manueel geplaatst worden, kunnen het medisch personeel hinderen en de dataverwerking ervan is arbeidsintensief. Bij de berekeningen worden grove benaderingen gebruikt die geen rekening houden met de exacte positie van de patiënt ten opzichte van de stralingsbron. Dit leidt snel tot grote onzekerheden op de berekende dosis.
Kunnen de berekeningen even nauwkeurig worden als metingen?
Zeker weten. In de radiotherapie gebruikt men al vele jaren verschillende technieken om de stralingsdosis van het bestralingstoestel te voorspellen. Monte Carlo simulaties zijn hier de gouden standaard voor. Op een microscopische schaal wordt het transport van de stralingsdeeltjes gesimuleerd in de patiënt. Het nadeel van deze methode is dat men heel veel deeltjes moet simuleren. Voor complexe problemen kan de rekentijd hierdoor enorm oplopen. Denk hierbij aan enkele uren tot zelfs dagen. Een bijkomend beperking van deze simulaties is dat de computerprogramma’s hiervoor niet gebruiksvriendelijk zijn en veel informatie over de stralingsbron en de patiënt nodig hebben.
De lange rekentijd in huidige simulaties zijn onaanvaardbaar voor onze toepassing. Door aanpassingen door te voeren aan de manier waarop de deeltjes gesimuleerd worden, kan voor deze specifieke toepassing de rekentijd ingekort worden tot enkele seconden zonder te moeten inboeten aan nauwkeurigheid. Op deze manier kan snel informatie worden vergaard over de stralingsdosis van de huid.
Waar halen we de informatie van de patiënt en de stralingsbron?
Elk modern radiologisch toestel houdt een digitaal logboek bij van wanneer er straling werd gegeven en hoe de instellingen van het toestel op dat moment waren. De onderlinge positie van de patiënt en de stralingsbron is een complex probleem dat niet uit het logboek kan afgeleid worden. De stralingsbron kan vrij bewegen in de ruimte net zoals de patiënt. Om dit waar te nemen werd een opstelling van drie onderling gesynchroniseerde Microsoft Kinect camera’s gebruikt. Deze spelcamera’s bevatten naast een gewone kleurencamera ook een infraroodcamera die de afstand van een object tot de camera kan bepalen. Door dit camerasysteem is de onzekerheid van de berekening aanzienlijk lager dan bij de huidige systemen.
Het volledige systeem gebruikt de informatie afkomstig van het röntgentoestel en de camera’s om een wiskundig model voor de patiënt en de stralingsbron te genereren. Dit model wordt dan gebruikt om Monte Carlo simulaties op uit te voeren, waardoor in slechts enkele seconden tijd al dosisinformatie kan worden weergegeven op een driedimensionale voorstelling van de patiënt.
Wat zijn nog bijkomende voordelen van deze methode?
Door deze realtime berekeningsmethode wordt de informatie quasi onmiddellijk beschikbaar voor de arts. Hierdoor kan deze meteen aanpassingen doorvoeren indien nodig. Om de arts niet te belasten met de taak om deze dosiswaarden continu te monitoren kunnen er limietwaarden worden ingesteld die een waarschuwing genereren bij overschrijding.
Zowel de huidige berekeningsmethodes als metingen beperkten zich tot enkel en alleen de huiddosis. Dankzij de Monte Carlo berekeningen kan eveneens de stralingsbelasting in verschillende nabijgelegen organen bepaald worden. Hierdoor kunnen stralingseffecten op lange termijn ingeschat worden. Dit is een belangrijk aspect bij de behandeling van (erg) jonge patiënten. Bijkomend kan er meer informatie verzameld worden om de opvolging van een patiënt te verbeteren of om over betere informatie te beschikken bij klinische studies.
Bovendien werd tijdens deze thesis een volledig werkend prototype gebouwd. In samenwerking met de dienst radiologie van Maastricht UMC+ werden een aantal metingen uitgevoerd op een klinisch toestel en een fantoom (een patiënt nagebootst uit water en plastic waarop meetapparatuur kan bevestigd worden). Uit deze metingen bleek dat het prototype al heel nauwkeurig de dosis kan bepalen. Met afwijkingen van minder dan 5% scoorde het beter dan de oplossingen die momenteel commercieel beschikbaar zijn. Figuur 2 maakt duidelijk dat de berekende dosis (rechts) goede overeenkomst toont met de stralingsgevoelige films (links).
Figuur 2 - Resultaat van eerste metingen met links een stralingsgevoelige film en rechts het resultaat van het prototype op dezelfde kleurschaal om de dosiswaarden weer te geven.
Het werk werd uitgevoerd bij het start-upbedrijf SmART Scientific Solutions dat gespecialiseerd is in medische stralingstoepassingen, met behulp van een EU Interreg Crossroad2 financiering. Door de thesis uit te voeren in samenwerking met de industrie is de kans op verdere doorontwikkeling naar een klinisch product hoog.
Besluit
De toepassing van het ontwikkelde systeem garandeert een betere bescherming van de patiënt. Onnodige huidbrandwonden worden vermeden. De nauwkeurigheid van de stralingsdosis verbetert significant en helpt om te voldoen aan de steeds strengere regelgeving betreffende dosisregistratie. Bovenop huiddosis kan DoseGuard ook orgaandosissen bepalen.
