Vejrtrækningsmålinger påRøntengenbilleder

- Et fysikspeciale på OUH

af Kasper Rørdam Jensen

Onkologi er læren om kræftsyg-domme.

Onkologisk Afdeling på OUH står for medicinsk behandling, strålebe-handling samt pleje af patienter med kræftsygdomme. Kirurgisk behan-dling foretages på de kirurgiske afdelinger. Alt efter kræfttype kan en kræftbehandling kræve en kombina-tion af de tre behandlingsformer.

Hjerneblod z�3/20144

I LØBET AF MIN FYSIKUDDANNELSE HAR JEG FLERE GANGE OPLEVET, AT ET EMNE FØRST BLIVER RIGTIG INTERESSANT, NÅR MAN GRAVER SIG ET STYK-KE NED I EMNET. KLICHEEN OM IKKE AT SKUE HUNDEN PÅ HÅRENE ER

IMIDLERTID ET TVEÆGGET SVÆRD, SÅ DER HAR LIGELEDES VÆRET EMNER, JEG TIL AT STARTE MED SYNTES LØD VÆLDIG SPÆNDENDE, MEN NÅR DET KOM TIL STYKKET, VAR DET IKKE NOGET, JEG KUNNE SE MIG SELV ARBEJDE MED I LÆN-GERE PERIODER.

Før jeg startede med at læse naturvidenskab, følte jeg mig tit total opslugt, når jeg læste om kvantemekaniske fænomener i populærv-idenskabelige tidsskrifter som ’Illustreret Videnskab’. Da det kom til stykket, var det dog eksperimenter i biofysik frem for teorier i kvantemekanik, der fængede mig ved bachelor-projektet. Ja, ingen tvivl om, at interesser skifter, men hvad der straks kom mere bag på mig, var, at jeg fik øjnene op for computerprogrammer-ing. Indrømmet, jeg syntes da nok det var lidt spændende allerede ved mit første programmer-ingskursus, men det var bare ikke den måde, jeg foretrak at lave fysik-arbejde på. Da jeg i februar i år startede på mit speciale på Onkologisk Af-deling, OUH, var emnet alligevel faldet på noget som i høj grad er programmeringsbaseret.

Onkologisk Afdeling og meningsfyldt job Mit første møde med Onkologisk Afdeling var

for ca. et års tid siden. Sammen med flere medstu-derende var vi inviteret til en rundvisning på Onkologisk Afdeling på OUH i anled-ning af, at afdelingen søgte folk, der var interesserede i at skrive fysikspeciale hos dem. Allerede før jeg startede på mit studie, var jeg klar over, at en fysiker kunne arbejde med stråleterapi ved kræft-behandling, men derudover var hospitalsfysik helt ukendt land.

Emner som radioaktivitet og røntgenstråling havde interesseret mig i flere år, og det var faktisk noget af det første, der gav mig interesse for fysik. Jeg synes stadig, at det er både fascinerende og skræmmende, at disse højfrekvente stråler kan have kolossale effekter på organisk væv og dog være usynlige for det blotte

øje. Derfor virkede det heller ikke særlig fjernt for mig at skrive speciale inden for et felt, hvor man kontrolleret benytter de samme typer stråler til at nedbryde kræftceller.

Jeg blev dog lidt tilbageholdende, da det gik op for mig at et speciale på Onkologisk Afdelingen i høj grad skulle baseres på computerprogrammer-ing.

Egentlig havde jeg ikke det store imod program-mering, men siden mit bachelorprojekt havde jeg mere eller mindre indstillet mig på, at mine selv-valgte projekter skulle indeholde en god del labo-ratoriearbejde. Jeg syntes dog godt om muligheden for at prøve at skrive speciale uden for universitet, så efter nogle måneder fik jeg taget mig sammen til at kontakte afdelingen igen.

Under flere møder med mine nuværende vej-ledere Carsten Brink og Uffe Bernchou, fik vi indkredset et emne, som virkede spændende

nok til, at jeg kunne bruge et år på at beskæftige mig med det. Derudover viste det sig, at jeg kunne få udlevet lidt af min eksperimentelle interesse i form af et studiejob med kontrolmålinger på selvsamme afdeling. Dette var en smart kombination, da jeg derved kunne få et lidt bedre forhold til de data, som jeg skulle arbejde med under mit projekt.

Inden mit speciale rigtig startede, fik jeg i februar

nogen introducerende uger, hvor jeg kom til at lære afdelingen at kende og få et indblik i, hvad det vil sige at være hospitalsfysiker. Det var yderst relevant, da jeg ikke på forhånd havde nogen erfa-ring med at studere/arbejde på et hospital. I disse uger fulgte jeg blandt andet personalet under det indledende arbejde, som patienter skal igennem

CT er en forkortelse for Computed Tomography. Teknikken benyttes ved kræftbehandling til at lave 3D billeder i høj kvalitet. Et røntgenrør og modtagerpanel bevæger sig i en spiralbevægelse rund om patienten og optager en række tværsnitsbill-eder, som digitalt omsættes til 3D billeder. Ved en strålebehandling beregnes behandlingsplanen ud fra en CT-scanning.

5

i forbindelse med en strålebehandling, herunder CT-scanninger. CT-scanninger er en teknik til at lave 3D røntgenbilleder i høj kvalitet, der benyttes til at beregne en behandlingsplan på.

En del af en hospitals-fysikers arbejde består i at lave disse behandlingsplaner. Hospitalsfysikeren har også til opgave rutinemæssigt at lave diverse kontrolmålinger på udstyr og behandlingsplaner for at sikre patienter den bedst mulige behandling. Mit nuværende studiejob går ne-top ud på at være med til at lave kontrolmålinger af behandlingsplaner. Behandlingsplanerne af-prøves på et såkaldt fantom, der i dette tilfælde er et cylinderformet objekt, som har en densitet som

minder om menneskekroppens og derfor kan give et cirkabillede af om strålingen bliver afsat korrekt

i patienten. Langt de fleste planer går igennem dette tjek, mens enkelte må laves om.

Selve strålebehandlingen gives typisk i flere bidder, i fagsprog kaldet fraktioner. En af fordelene ved fraktioner-ing er, at det raske væv får mulighed for at komme sig mellem fraktionerne. Strålin-gen på tumorvæv vil stadig have effekt, da tumorvæv generelt er dårligere til at reparere sig selv.

Under disse fraktioner laves en CBCT-scanning for at være sikker på at patienten ligger korrekt på lejet. CBCT er en teknik, der ligesom CT ¾�

Kasper Rørdam Jensen 27 år studerer fysik og er ved at skrive speciale. Her er Kasper på studiejob, hvor han er ved at placere fantomet det rigtige sted i forhold til scanneren vha. a laserlys.

Hjerneblod z�3/20146

Kasper med fantomet på vej til en acceleator for at tage prøvemålinger

Fantomet har en densitet svarende til menneskets

CBCT er en forkortelse for Cone Beam Computed Tomography. Teknikken er beslægtet med CT, men CBCT-apparatet foretager cirkelbevægelse, hvilket betyder at hvert tværsnitsbillede dækker et større område af patienten. Disse tværsnitsbilleder omsættes ligeledes digitalt til 3D-billeder. De større tværsnitsbilleder betyder dog, at CBCT-scanninger er mere støjfyldte end CT-scanninger. Til gengæld kan CBCT-scanninger udføres på samme leje, som patienten ligger på ved strålebehandlingen, og CBCT-scan-ninger benyttes derfor til at sikre patienten ligger korrekt.

7

kan lave 3D billeder, dog af dårligere kvalitet. Til gengæld laves CBCT-scanninger langt oftere end CT-scanninger, hvilket er af stor betydning for mit speciale.

Et speciale om at miste vejretOverordnet går mit speciale

ud på at måle ventilationsæn-dringer hos lungecancerpatienter i forbindelse med et strålebe-handlingsforløb. Ventilation i lungerne forstås som evnen til at udskifte luften i lungerne. Jo mere en lunge udvider sig under vejrtrækningen, jo større udskift-ning af luft finder sted.

En lungeventilationsmåling er en let forsimplet metode til at undersøge lungernes evne til at optage ilt. Metoden er forsimplet, da det ikke er en selvfølge, at ilt optages, bare fordi der er ventilation i et givent område af lungen. Til gengæld er det sikkert, at der ikke kan ske løbende iltoptagelse, medmindre der er en ventilation tilstede. Hvilket altså betyder, at en nedgang i lungeventilationen, kan komme til udtryk som vejrtrækningsproblemer.

I modsætning til hvad man umiddelbart kunne forvente, er jeg ikke henne og undersøge en masse patienter med en luftmåler. Ventilationsmålene laver jeg ud fra CT- og CBCT-scanninger, altså røntgenbilleder.

Lungecancerpatiernter bliver typisk behandlet over 30-33 fraktioner. I den forbindelse laves der jævnlig CBCT-scanninger, hvilket giver mulighed for at følge anatomiske forandringer hos patienter under strålebehandling.

Uanset om man kigger på CT eller CBCT, skal der benyttes en såkaldt 4D-scanning for at kunne registrere en ventilation. En 4D-scanning er en scanning, hvor patienterne flere gange har mulighed for at gennemføre et vejrtræknings-forløb. Denne scanning bliver til 10 3D-billeder, som repræsenterer forskellige faconer, lungerne har under en vejrtrækningscyklus. Til ventilation-sregistrering skal benyttes det billede, hvor der er pustet mest ud (expirationsfasen), samt det billede hvor der er trukket mest luft ind (inspirations-fasen).

Helt specifikt ønsker vi at finde ud af, hvorledes lungerne ændrer størrelse fra expirationsfasen til inspirationsfasen.

Inden vi ser nærmere på, hvorledes målingen foregår, skal vi lige huske på, hvorledes digitale billeder er opbygget. Når man sætter sig helt tæt på en stor tv-skærm, kan man tydeligt se, at billederne er bygget op af en masse små prikker kaldet pixels (forkortelse for picture elements). Ligeledes er 3D-billeder også bygget op af små prikker, som kaldes voxels (volume elements). For at kunne måle ændringer i et billede, er vi nødt til at kunne følge, hvorledes vævet flytter sig og ændrer størrelse. En

sådan undersøgelse kaldes en deform registrering.

I forhold til det konkrete eksempel med ventila-tionsmålinger, går denne metode ud på at finde ud af, hvorledes et punkt fra expirationsfasen er pla-ceret over i inspirationsfasen. Dvs. via en deform registrering finder man et transformationsfelt, som fortæller, hvordan man bevæger sig fra punkter i expirationsfasen over til inspirationsfasen, hvilket illustreres på figur 1. ¾

Figur 1: Illustration af en deform registrering mel-lem to faser. Når der er sket en bevægelse mellem to billeder, vil pixels have flyttet på sig. Pilene i figuren symboliserer den deforme registrering, da de holder styr på, hvordan pixels fra billedet til venstre har flyttet sig i billedet til højre.

Hjerneblod z�3/20148

I praksis benyttes ret krævende software til at lave denne beregning, og selv med moderne computeres regnekraft er udregningen stadig en tidskrævende affære.

For nemheds skyld prøver vi at se nærmere på princippet i 2D ved at arbejde med to traditionelle koordinatsystemer. Vi leger (stærkt forsimplet), at vi kan beskrive en lunge som en firkant i både expirationsfasen og inspirationsfase. I figur 2 er expirationsfasen tegnet i (x,y)-koordinatsystemet, mens inspirationsfasen er tegnet i (x’, y’)-koordi-natsystemet.

Tilfældet her er så simpelt, at man ved at forsøge sig lidt frem, kan se, at en transformation mellem de to koordinatsystemer kan udføres ved x’=x og y’=2y-1.

Eksempelvis bliver punktet i øverste venstre hjørne i expirationsfasen (x=1,y=2) til punktet (x’=1,y’=3) i inspirationfasen, mens punktet (x=1,y=1) i expirationsfasen ikke flytter på sig, og derfor blot bliver til punktet (x’=1,y’=1) i inspira-tionsfasen.

Den interessante information, vi leder efter, er ikke selve transformationen, men derimod Jacobi determinanten, som er en størrelse, der beregnes ud fra transformationsfeltet.

I dette tilfælde bliver vores Jacobi determinant 2. Da vi her så på et todimensionelt eksempel, betyder dette resultat, at den firkantede lunges

areal bliver en faktor 2 større (altså dobbelt så stor) fra expirationsfasen til inspirationsfasen. Uanset om man er velbevandret i calculus matematik eller ej, kan man fornemme på øjemål, at det godt kan passe, at vores firkantede lunge er to gange så stor i inspirationsfasen, som den var i expirationsfasen.

Princippet er her stærkt forsimplet, fordi vi, med elastisk lungevæv, vil opleve ret så forskellige volumenændringer, alt efter hvor i lungen vi kig-ger, hvilket ses på figur 3. Desuden skal man huske på, at når vi finder transformationsfelter og Jacobi determinanter mellem tredimensionelle billeder, vil Jacobi determinanten fortælle os om ændringer i volumener frem for arealer. Når volumenet i lun-gerne stiger under en vejrtrækning, kommer der mere luft ned i dem, og dvs. ændringen i lungevol-umenet angiver mængden af luft, der er kommet ned i lungerne.

En deform registrering og Jacobi determi-nantberegning skal udføres ved billeder fra først i behandlingsforløbet samt for billeder senere i forløbet, for at kunne måle om der sker en æn-dring over tid.

Det er muligt, at teknikken endnu ikke er

følsom nok til at måle sådanne ændringer, eller for den sags skyld, at der generelt ikke sker en betydningsfuld ventilationsændring under et behandlingsforløb.

Hvis ventilationsændringer er til stede og mål-bare, kan det imidlertid betyde, at behandlings-

Figur 2: Forsimplet eksempel på en ventilerende lunge i form af en firkant.

9

Inspirationsfasen

doserne bedre kan tilpasses den enkelte patient. Eksempelvis vil patienter, der reagerer voldsomt på stråling i et område af lungen, få tilrettelagt en ny plan, som har en lidt anden vej gennem lungen. Dvs. strålingen kan ramme lungen og tumorvævet fra en anden vinkel. En anden mulighed kan være, at en patient er ret hårdfør over for stråling, hvilket betyder, at man kan tillade sig at give en større mængde stråling og derved øge chancerne for at ødelægge tumoren.

Det er næsten umuligt at undgå, at noget af det raske væv tager skade under en strålebehandling, men netop derfor er det interessant at undersøge, hvorledes man kan minimere skaden og om ikke andet minimere effekten vævsskaderne har på patienten. Disse potentielle muligheder synes jeg er en motiverende faktor, når jeg kigger på ventila-tionsmålinger.

Mit speciale har som nævnt flyttet mig længere ind i programmeringsland, og det har været en øjenåbner at arbejde med programmering igen. Jeg havde frygtet, at jeg ville savne ikke at lave mine egne dataopsamlinger i et laboratorium, men det har meget at sige, at jeg arbejder med en type billeder, hvor der kan udvindes rigtig meget data. Dette betyder, at computerarbejdet i høj grad bliver eksperimenterende arbejde, da man tit må forsøge sig lidt frem for at trække essentielle infor-mationer ud af eksisterende røntgenbilleder. Dertil kommer også, at meget af den analyse, jeg arbejder med, slet ikke ville give mening uden en comput-ers hjælp. Specielt når man i den forbindelse vil udforske nye felter, kommer man ikke uden om selv at kunne en smule programmering. ¾

Figur 3: Eksempel på CT-billeder af en patients expirations- og inspirationsfase samt det beregnede Jacobi determinant-billede. Ved at sammenholde gråtonerne på Jacobi determinantbilledet med skalabaren til højre for billedet, kan det observeres, at de enkelte områder er blevet forstørret/formindset i forskellig grad. Selvom lungerne overordnet udvider, når man trækker været ind, kan der godt være lokale områder, hvor der sker sammentrækninger.

Expirationsfasen

Hjerneblod z�3/201410

Efter planen skulle jeg gerne være færdig med mit speciale til marts næste år og derved også være færdig med min kandidat i fysik. Jeg kommer til at have samme titel, som hvis jeg havde skrevet mit speciale ved et institut på universitetet. Jeg er derfor ikke bundet til fortsat at arbejde med hos-pitalsfysik efter, mit speciale er færdigt. Som det ser ud lige nu, vil jeg gerne kunne fortsætte inden

for feltet, men det kommer i sidste ende an på hvilke jobs, der er til rådighed. Jeg synes, det har været et frisk pust at skifte studiemiljø og prøve at skrive speciale ved en arbejdsplads efter nogle år med faste rutiner på universitetet, og overordnet føler jeg mig lidt bedre rustet til at skulle ud på jobmarkedet efter kandidaten �

Scanningen foretages rundt om fantomet.