Vejrtrækningsmålinger på
Røntengenbilleder - Et fysikspeciale på OUH
af Kasper Rørdam Jensen
I
LØBET AF MIN FYSIKUDDANNELSE HAR JEG FLERE GANGE OPLEVET, AT ET EMNE FØRST BLIVER RIGTIG INTERESSANT, NÅR MAN GRAVER SIG ET STYKKE 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 LÆNGERE PERIODER.
Før jeg startede med at læse naturvidenskab, følte jeg mig tit total opslugt, når jeg læste om kvantemekaniske fænomener i populærvidenskabelige tidsskrifter som ’Illustreret Videnskab’. Da det kom til stykket, var det dog eksperimenter i biofysik frem for teorier i kvantemekanik, der fængede mig ved bachelorprojektet. Ja, ingen tvivl om, at interesser skifter, men hvad der straks kom mere bag på mig, var, at jeg fik øjnene op for computerprogrammering. Indrømmet, jeg syntes da nok det var lidt spændende allerede ved mit første programmeringskursus, 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 Afdeling, OUH, var emnet alligevel faldet på noget som i høj grad er programmeringsbaseret. Onkologisk Afdeling og meningsfyldt job
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 computerprogrammering. Egentlig havde jeg ikke det store imod programmering, men siden mit bachelorprojekt havde jeg mere eller mindre indstillet mig på, at mine selvvalgte projekter skulle indeholde en god del laboratoriearbejde. 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 Mit første møde med Onkologisk Afdeling var vi indkredset et emne, som virkede spændende for ca. et års tid siden. Sammen med flere medstunok til, at jeg kunne bruge et derende var vi inviteret til en år på at beskæftige mig med rundvisning på Onkologisk det. Derudover viste det sig, Afdeling på OUH i anledOnkologi er læren om kræftsygat jeg kunne få udlevet lidt af ning af, at afdelingen søgte domme. min eksperimentelle interesse folk, der var interesserede i at Onkologisk Afdeling på OUH står i form af et studiejob med skrive fysikspeciale hos dem. for medicinsk behandling, strålebekontrolmålinger på selvsamme Allerede før jeg startede på handling samt pleje af patienter med afdeling. Dette var en smart mit studie, var jeg klar over, kræftsygdomme. Kirurgisk behankombination, da jeg derved at en fysiker kunne arbejde dling foretages på de kirurgiske kunne få et lidt bedre forhold med stråleterapi ved kræftafdelinger. Alt efter kræfttype kan en til de data, som jeg skulle behandling, men derudover kræftbehandling kræve en kombinaarbejde med under mit projekt. var hospitalsfysik helt ukendt tion af de tre behandlingsformer. land. Inden mit speciale rigtig startede, fik jeg i februar Emner som radioaktivitet nogen introducerende uger, hvor jeg kom til at og røntgenstråling havde interesseret mig i flere lære afdelingen at kende og få et indblik i, hvad år, og det var faktisk noget af det første, der gav det vil sige at være hospitalsfysiker. Det var yderst mig interesse for fysik. Jeg synes stadig, at det relevant, da jeg ikke på forhånd havde nogen erfaer både fascinerende og skræmmende, at disse ring med at studere/arbejde på et hospital. I disse højfrekvente stråler kan have kolossale effekter på uger fulgte jeg blandt andet personalet under det organisk væv og dog være usynlige for det blotte indledende arbejde, som patienter skal igennem
4
Hjerneblod
3/2014
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.
i forbindelse med en strålebehandling, herunder minder om menneskekroppens og derfor kan give CT-scanninger. CT-scanninger er en teknik til at et cirkabillede af om strålingen bliver afsat korrekt lave 3D røntgenbilleder i høj i patienten. Langt de fleste kvalitet, der benyttes til at planer går igennem dette tjek, CT er en forkortelse for Computed beregne en behandlingsplan mens enkelte må laves om. Tomography. Teknikken benyttes på. ved kræftbehandling til at lave 3D Selve strålebehandlingen billeder i høj kvalitet. Et røntgenrør En del af en hospitalsgives typisk i flere bidder, i og modtagerpanel bevæger sig i en fysikers arbejde består i at fagsprog kaldet fraktioner. En spiralbevægelse rund om patienten og optager en række tværsnitsbilllave disse behandlingsplaner. af fordelene ved fraktionereder, som digitalt omsættes til 3D Hospitalsfysikeren har også til ing er, at det raske væv får billeder. Ved en strålebehandling opgave rutinemæssigt at lave mulighed for at komme sig beregnes behandlingsplanen ud fra diverse kontrolmålinger på mellem fraktionerne. Strålinen CT-scanning. udstyr og behandlingsplaner gen på tumorvæv vil stadig for at sikre patienter den have effekt, da tumorvæv bedst mulige behandling. Mit generelt er dårligere til at nuværende studiejob går nereparere sig selv. top ud på at være med til at lave kontrolmålinger af behandlingsplaner. Behandlingsplanerne afUnder disse fraktioner laves en CBCT-scanning prøves på et såkaldt fantom, der i dette tilfælde er for at være sikker på at patienten ligger korrekt et cylinderformet objekt, som har en densitet som på lejet. CBCT er en teknik, der ligesom CT
5
Fantomet har en densitet svarende til menneskets
Kasper med fantomet pü vej til en acceleator for at tage prøvemülinger
6
Hjerneblod
3/2014
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.
Helt specifikt ønsker vi at finde ud af, hvorledes lungerne ændrer størrelse fra expirationsfasen til inspirationsfasen. Inden vi ser nærmere på, hvorledes målingen CBCT er en forkortelse for Cone foregår, skal vi lige huske Beam Computed Tomography. Et speciale om at miste vejret på, hvorledes digitale billeder er opbygget. Når Overordnet går mit speciale Teknikken er beslægtet med CT, man sætter sig helt tæt på ud på at måle ventilationsænmen CBCT-apparatet foretager cirkelbevægelse, hvilket betyder at en stor tv-skærm, kan man dringer hos lungecancerpatienter hvert tværsnitsbillede dækker et tydeligt se, at billederne i forbindelse med et strålebestørre område af patienten. Disse er bygget op af en masse handlingsforløb. Ventilation i tværsnitsbilleder omsættes ligeledes små prikker kaldet pixels lungerne forstås som evnen til digitalt til 3D-billeder. De større (forkortelse for picture at udskifte luften i lungerne. Jo tværsnitsbilleder betyder dog, at elements). Ligeledes er mere en lunge udvider sig under CBCT-scanninger er mere støjfyldte 3D-billeder også bygget vejrtrækningen, jo større udskiftend CT-scanninger. Til gengæld kan op af små prikker, som ning af luft finder sted. CBCT-scanninger udføres på samme leje, som patienten ligger på ved kaldes voxels (volume strålebehandlingen, og CBCT-scanelements). For at kunne En lungeventilationsmåling ninger benyttes derfor til at sikre måle ændringer i et billede, er en let forsimplet metode til at patienten ligger korrekt. er vi nødt til at kunne følge, undersøge lungernes evne til at hvorledes vævet flytter sig optage ilt. Metoden er forsimplet, og ændrer størrelse. En da det ikke er en selvfølge, at ilt sådan undersøgelse kaldes en deform registrering. optages, bare fordi der er ventilation i et givent område af lungen. Til gengæld er det sikkert, at I forhold til det konkrete eksempel med ventilader ikke kan ske løbende iltoptagelse, medmindre tionsmålinger, går denne metode ud på at finde ud der er en ventilation tilstede. Hvilket altså betyder, af, hvorledes et punkt fra expirationsfasen er plaat en nedgang i lungeventilationen, kan komme til ceret over i inspirationsfasen. Dvs. via en deform udtryk som vejrtrækningsproblemer. registrering finder man et transformationsfelt, som I modsætning til hvad man umiddelbart kunne fortæller, hvordan man bevæger sig fra punkter i forvente, er jeg ikke henne og undersøge en masse expirationsfasen over til inspirationsfasen, hvilket patienter med en luftmåler. Ventilationsmålene illustreres på figur 1. 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 vejrtrækningsforløb. Denne scanning bliver til 10 3D-billeder, som repræsenterer forskellige faconer, lungerne har under en vejrtrækningscyklus. Til ventilationsregistrering skal benyttes det billede, hvor der er pustet mest ud (expirationsfasen), samt det billede hvor der er trukket mest luft ind (inspirationsfasen).
Figur 1: Illustration af en deform registrering mellem 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.
7
Figur 2: Forsimplet eksempel på en ventilerende lunge i form af en firkant.
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’)-koordinatsystemet. 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 inspirationsfasen. 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
8
Hjerneblod
3/2014
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 kigger, 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 lungerne stiger under en vejrtrækning, kommer der mere luft ned i dem, og dvs. ændringen i lungevolumenet angiver mængden af luft, der er kommet ned i lungerne. En deform registrering og Jacobi determinantberegning skal udføres ved billeder fra først i behandlingsforløbet samt for billeder senere i forløbet, for at kunne måle om der sker en ændring 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 målbare, kan det imidlertid betyde, at behandlings-
Expirationsfasen
Inspirationsfasen
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. 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 ventilationsmålinger.
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 informationer ud af eksisterende røntgenbilleder. Dertil kommer også, at meget af den analyse, jeg arbejder med, slet ikke ville give mening uden en computers hjælp. Specielt når man i den forbindelse vil udforske nye felter, kommer man ikke uden om selv at kunne en smule programmering.
9
Scanningen foretages rundt om fantomet.
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 hospitalsfysik efter, mit speciale er færdigt. Som det ser ud lige nu, vil jeg gerne kunne fortsætte inden
10
Hjerneblod
3/2014
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