KOHALA: Digitaler Schüler für die Krebsbehandlung

Einen aufwendigen Arbeitsschritt von vier Stunden auf fünf Minuten zu verkürzen und ihn dabei noch zu automatisieren – das klingt wie ein Traum für Beschäftigte in allen Bereichen und Branchen. Für Radiologen könnte er bald wahr werden: Eine Software könnte ihnen die langwierige Aufbereitung von CT-Aufnahmen abnehmen, die vor der Bestrahlung eines Tumors notwendig ist.

03.02.2014

 
Foto: Benutzeroberfläche; Copyright: Fraunhofer IGD

Die Benutzeroberfläche von KOHALA. Verschiedene Organe sind farbig dargestellt, etwa das Rückenmark (dunkelblau), eine Speicheldrüse (grün) und der Kehlkopf (hellblau); ©Fraunhofer IGD

Der Grund für den hohen Vorbereitungsaufwand ist die Komplexität von bestimmten Körperregionen. Gerade in Kopf und Hals befinden sich viele wichtige Organe und Strukturen: Neben Wirbelsäule, Hirnstamm und Rückenmark liegen dort große Blutgefäße, der Kehlkopf, Drüsen und Lymphknoten auf engem Raum nahe beieinander. Das macht nicht nur Operationen schwierig, sondern auch die Strahlentherapie, sodass Tumore in diesem Bereich schwer zu behandeln sind. Wird nur ungenau bestrahlt, schädigen die Ärzte auch gesundes Gewebe in der Umgebung des Tumors. Deshalb muss eine Strahlentherapie in diesem Bereich sorgfältig geplant werden.

Aus einer Serie von CT-Bildern, die den Körper Schicht für Schicht zeigen, entsteht als Grundlage für die Bestrahlung ein dreidimensionales Modell: "Im ersten Schritt der Bestrahlungsplanung markieren Radiologen Organe und Strukturen in dem Bereich, der bestrahlt werden soll. Dafür benötigen auch erfahrene Ärzte ungefähr vier Stunden pro Patient", erklärt Dr. Stefan Wesarg vom Fraunhofer-Institut für Graphische Datenverarbeitung (Fraunhofer IGD) die digitale Segmentierung von Kopf und Hals. "Unsere Software vereinfacht und automatisiert diesen Vorgang."

Die Software heißt abgekürzt KOHALA (KOpf-HALs-Atlas für die Strahlentherapie) und soll Bilddaten so aufbereiten, dass damit die Bestrahlung von Tumoren geplant werden kann. Derzeit wird KOHALA am Sana-Klinikum Offenbach und dem Universitätsklinikum Gießen-Marburg getestet. "Die ersten Ergebnisse sind vielversprechend, das Feedback aus den Kliniken ist positiv", so Wesarg. "Wir gehen davon aus, dass die Ärzte die segmentierten Bilder direkt zur Bestrahlungsplanung werden weiterverwenden können." In diesem Fall entfiele nicht nur die langwierige Segmentierung an sich, sondern unter Umständen sogar eine Nachbearbeitung am Computer durch einen Menschen. Lediglich der Tumor muss noch von Hand markiert werden, bevor Winkel, Form und Intensität des Strahls für jeden Patienten individuell definiert und optimiert werden können.
Foto: KOHALA; Copyright: Fraunhofer IGD

Dreidimensionales Modell von Kopf und Hals aus KOHALA; ©Fraunhofer IGD

Ärzte trainieren den Computer

Hinter KOHALA steht ein Algorithmus, der "weiß", wo sich welche Strukturen in Kopf und Hals befinden. Dabei haben Wesarg und seine Mitarbeiter ihren Algorithmus wie einen regulären Medizinstudenten von praxiserfahrenen Lehrern profitieren lassen: "An der Entwicklung waren Ärzte beteiligt, die die relevanten Strukturen in den Bilddaten von Hand markiert haben. Mit diesem Expertenwissen haben wir unser statistisches Modell entwickelt." Jetzt soll das Modell Aussagen darüber machen können, wo welche Strukturen relativ zueinander liegen und wie Lage und Form bei einzelnen Patienten von diesem Mittelwert abweichen können. So soll es im Einsatz, ausgehend von den allgemeinen Daten, wieder auf die individuelle Anatomie des einzelnen Patienten anwendbar sein.

An den beiden beteiligten Kliniken läuft zwar schon die Erprobung an echten Patientendaten. Aber KOHALA ist dabei noch nicht Teil der tatsächlichen Behandlung. Vielmehr überprüfen die Ärzte jetzt ihren Schüler, bevor er eine eigene Entscheidung treffen darf. Die klinischen Tests werden noch ungefähr ein halbes Jahr dauern, in denen sich herausstellen wird, wie viel KOHALA tatsächlich gelernt hat. Wie auch im Medizinstudium könnte KOHALA an einigen Stellen noch Probleme haben, an denen der Mensch korrigierend eingreifen muss, wie Wesarg einschränkt: "Es kann sein, dass wir bei bestimmten komplexen Organen den Algorithmus verbessern oder auch das Ergebnis manuell nachbearbeiten müssen. Anhand der Tests, die wir bis jetzt durchgeführt haben, können wir aber noch keine abschließende Aussage treffen."
Foto: Arbeit am KOHALA-Projekt; Copyright: Fraunhofer IGD

Dr. Wesarg (hinten) und ein Mitarbeiter bei der Bedienung der KOHALA-Software;
©Fraunhofer IGD

Neben dem Fraunhofer IGD und den Kliniken in Offenbach und Gießen-Marburg ist auch das Land Hessen im Rahmen der LOEWE-Förderlinie 3 ("Landes-Offensive zur Entwicklung Wissenschaftlich-ökonomischer Intelligenz") am Projekt beteiligt. Als erstes soll die Software durch die Firma MEDCOM in Darmstadt umgesetzt werden, die sich auf Bildgebung und Bestrahlungsplanung spezialisiert hat und bei der es sich ursprünglich um eine Ausgründung des Fraunhofer IGD handelt.

Das Interesse am Erfolg des Schülers ist damit groß und bei Erfolg ist auch eine Fortsetzung seiner Karriere denkbar. Die automatisierte Bestrahlungsplanung wäre auch für Tumore in Bauch- und Brustbereich sinnvoll. "Die Komplexität des Hals-Kopf- und des Brust-Bauchbereiches sind ähnlich. Obwohl die Strukturen in Brust und Bauch größer sind, ist auch der zu berücksichtigende Raum größer", erklärt Wesarg. Für ihn wäre eine Ausweitung des KOHALA-Ansatzes auf andere Körperregionen damit ein mögliches Fortsetzungsprojekt.

Hintergrund: Bildgebung und Bestrahlungsplanung im Video

Bestimmte Tumore machen eine gründliche Bestrahlungsplanung und eine präzise Bestrahlung notwendig. Das ist zum Beispiel der Fall, wenn der Tumor für eine Operation nur schwer zugänglich ist, weil er an einer Risikostruktur wie Gehirn oder Wirbelsäule liegt, oder wenn der Patient erneut erkrankt ist und bereits bestrahlt wurde. In jedem Fall muss die Strahlungsbelastung für das gesunde Gewebe besonders gering gehalten werden.

Die MEDICA.de-Reportage über das Deutsche CyberKnife-Zentrum in Soest zeigt, welche Schritte zur Krebsbehandlung durch Bestrahlung gehören. Das CyberKnife ist ein roboterunterstütztes System zur präzisen Bestrahlung von Tumoren. Im Gegensatz zu anderen Systemen gleicht es die Bewegungen des Patienten (willkürliche und Atembewegungen) dynamisch während der Behandlung aus, so dass der Patient nicht fixiert werden muss.
Video: OP-Roboter: Hochpräzise und schonend

Quelle: MEDICA.de
Foto: Timo Roth; Copyright: B. Frommann

© B. Frommann

Der Artikel wurde geschrieben von Timo Roth.
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