Algorithmen für automatisierte Standard-Konturierung

Die Strahlentherapieabteilung des Hospital del Mar in Barcelona testet erfolgreich AI-basierte Algorithmen, um schneller und präziser automatisiert Tumore bestrahlen und Risikoorgane konturieren zu können.

4 min
Manuel Meyer
Veröffentlicht am 17. Juni 2020
Der Blick durch die riesige Fensterfront der Klinik hat etwas Beruhigendes. Sanft brechen die Wellen am Ufer, die Sonne glitzert auf dem Meer. Barcelonas Hospital del Mar liegt direkt an der Strandpromenade der spanischen Küstenmetropole. Palmen, der weite Sandstrand, das Mittelmeer – ein Postkartenmotiv. Doch Radioonkologe Dr. Manuel Algara López hat keine Zeit für den idyllischen Ausblick. Zwar wurden durch den Ausbruch der COVID-19-Pandemie viele Operationen verschoben und die Behandlung von COVID-19-Patienten priorisiert. Aber Krebspatienten können auch in den Zeiten von SARS-CoV-2 nicht auf ihre Behandlung warten“, stellt der Leiter der onkologischen Abteilung für Strahlentherapie klar. Vor allem otorhinolaryngologische Tumore wurden zunächst strahlentherapeutisch anstatt wie sonst operativ behandelt, erklärt Manuel Algara.
Manuel Algara López nutzt automatische Organkontuierung für die Strahlentherapieplanung.

Krebspatienten können auch in den Zeiten von SARS-CoV-2 nicht auf ihre Behandlung warten, betont Dr. Manuel Algara López.

Dennoch war es nicht wünschenswert, dass Tumorpatienten aufgrund der hohen Ansteckungsgefahr mit SARS-CoV-2 zu lange und zu häufig in der Klinik behandelt werden mussten. Hier kam der onkologischen Strahlentherapie-Abteilung ihre traditionell stark hypofraktionierte Behandlung zugute. Sprich, die Tumore werden mit einer erhöhten täglichen Dosis bestrahlt, wobei die Gesamtdosis allerdings reduziert wird, was schlussendlich zu einer geringeren Behandlungsdauer führt. „Die Hypofraktionierung ist bei Brust-, Prostata- und neuerdings auch bei Lungenkrebs unsere Standardmethode“, erklärt Abteilungsleiter Algara.

Um die Bestrahlung zu planen, wird typischerweise eine Computertomographie (CT) des Patienten in der Behandlungsposition aufgenommen. Auf den so entstandenen Bildern markieren die Ärzte und Strahlentherapeuten die Tumore und die umliegenden Organe. Die Tumore sind später die Ziele der Bestrahlung und sollen eine möglichst hohe Dosis erhalten. Die umliegenden sollen als Risikoorgane (OARs) möglichst geschont werden. Dieses Konturieren aller gefährdeten Organe ist ein langwieriger und zeitaufwändiger Prozess, vor allem aber ein sehr wichtiger, erklärt Manuel Algara. 


„Ein hochpräziser CT-Scan und die anschließende Konturierung des Tumorvolumens sowie die Markierung der Risikoorgane sind die Grundlage des Bestrahlungsplans, der Dosisberechnung und damit der Schlüssel einer erfolgreichen Patientengenesung“, stellt der Radioonkologe klar. Und aus diesem Grund setze sein Team auf den SOMATOM Confidence RT Pro CT-Scanner und die syngo.via Bildbearbeitungssoftware von Siemens Healthineers. „So können wir mit Dual Energy arbeiten, was uns besonders beim Scannen mit Kontrastmitteln die beispielsweise bei fast allen Tumoren im Kopf- und Halsbereich hochqualitative und präzise CT-Bilder liefert“, sagt Manuel Algara.

Zusammen mit Siemens Healthineers erprobt sein Team seit einem Jahr das Dual Energy Scannen verschiedener Tumore, vor allem von Kopf-Hals-Tumoren, die rund 10 Prozent aller Strahlentherapiebehandlungen am Hospital del Mar ausmachen – mit Erfolg. „Durch Dual Energy erhalten wir beim Scannen mit Kontrastmitteln wesentlich präzisere Abgrenzungen der Tumore als vorher.“ Zudem liefere der SOMATOM Confidence mit seinen anpassbaren DirectDensity kV-Einstellungen hochwertige und vor allem personalisierte Bilder der Strahlentherapiepatienten.


„Die hochpräzisen CT-Bilder sind dabei die Grundlage für die darauffolgende KI-basierte Konturierung der Risikoorgane und für die anschließende Berechnung der optimalen Dosis. Zusammen stellen sie die Basis für die gesamte technische Planung und Durchführung der Strahlentherapiebehandlung dar“, erklärt Enric Fernández-Velilla, Medizinphysiker in der Abteilung für Strahlentherapie am Hospital del Mar. Bei der sehr präzisen Bilddarstellung der Tumorgrenzen stellt er besonders die Dual Energy Bildgebung und die moderne 4D-Simulation von Lungentumoren durch die Software heraus.

Algara und Fernández-Velilla sind überzeugt davon, dass die neue, weiterentwickelte Software in der Strahlentherapie zukunftsweisend sein wird. Die Software mit AI-basierten Algorithmen erkennt und konturiert nun automatisch die um einen Tumor liegenden Risikoorgane. In einer ersten Teststudie wandte das Team von Manuel Algara die neue Software-Version bei 50 Tumorpatienten mit komplizierten Krebserkrankungen an. Hinterher wurde die automatisierte Organkonturierung von jeweils zwei Ärzten überprüft.


Ergebnis: „Bei über 90 Prozent waren die Konturierungen sehr zufriedenstellend“, so Radioonkologe Algara. Besonders genau waren die Konturierungen bei Tumoren in Lunge, Schilddrüse oder Augen. Einige Ungenauigkeiten gab es noch beim Herzen. Doch gerade da zeigt sich die Stärke von Deep Learning – der Algorithmus kann mit mehr Daten ständig weiterentwickelt werden. Auch daran arbeitet Hospital del Mar mit Siemens Healthineers.

Hospital del Mar plant eine Studie zur automatischen Organkonturierung in der Strahlentherapieplanung.

Strebt nach der möglichst präzisen Bilddarstellung von Tumorgrenzen: Medizinphysiker Enric Fernández-Velilla.

Jetzt soll in Zusammenarbeit mit Siemens Healthineers eine zweite Teststudie mit 60 neuen Tumorpatienten anlaufen, bei der die Bildbearbeitungssoftware retrospektiv wie prospektiv vor allem Organe bei Brust-, Lungen und Beckenpatienten konturiert und die automatisierten Ergebnisse von bis zu vier Ärzten auf ihre Präzision hin überprüft werden. Doch schon jetzt steht fest: „Die immer besser werdenden Algorithmen arbeiten standardisiert genauso präzise wie ein erfahrender Strahlentherapie-Experte und die Ergebnisse sind immer konsistent. Die manuelle Konturierung kann von Benutzer zu Benutzer unterschiedlich sein, was Auswirkungen auf die Behandlung hat. Das ist bei der Software nicht der Fall“, so Manuel Algara.


Vor allem konturiert die Software auch viel schneller als ein Arzt oder Strahlentherapeut, erklärt Medizinphysiker Enric Fernández-Velilla. Durchschnittlich könne man von einer Zeitersparnis von bis zu 30 Minuten pro Patienten ausgehen – kein unwichtiger Faktor, um den Workflow und die Betreuung der 1.200 Tumorpatienten pro Jahr zu optimieren. „Diese Zeit können wir für Patientengespräche nutzen, oder um in anderen Phasen der Strahlenbehandlung noch genauer zu arbeiten“, so der Medizinphysiker. Oder für die Forschung. Denn obwohl die onkologische Abteilung für Strahlentherapie nur über sechs Ärzte, drei Medizinphysiker, zwei Krankenschwestern und 15 Strahlentherapeuten verfüge, konkurriere sein Team mit dem Forschungspensum weitaus größerer Krankenhäuser und arbeite eng mit der benachbarten und international renommierten Pompeu Fabra Universität zusammen, erklärt Manuel Algara. Aufgrund seiner stetigen Forschungs- und Innovationsarbeit wurde das Hospital del Mar auch von Siemens Healthineers als Referenzklinik für Teststudien ausgewählt.

Manuel Meyer berichtet als freier Journalist für die Deutsche Ärztezeitung und andere Medien aus Spanien.


Von Manuel Meyer
Manuel Meyer berichtet als freier Journalist für die Deutsche Ärztezeitung und andere Medien aus Spanien.