High-performance GPU-based rendering for real-time, rigid 2D/3D-image registration and motion prediction in radiation oncology

Ein häufiges Problem in der bildgestützten Strahlentherapie (Image-Guided Radiation Therapy - IGRT) des Lungenkarzinoms und anderer maligner Erkrankungen ist die Kompensation von periodischen und aperiodischen Bewegungen während der Strahlenapplikation. Moderne IGRT-Systeme erlauben es, Conebeam Computertomographien vor der jeweiligen Behandlung zu erzeugen, und auch die Akquisition von planaren Röntgenaufnahmen während der Bestrahlung ist möglich. Mittelfristig ist es denkbar, die intrafraktionelle Bewegung des Tumorzielgebiets mit Hilfe der 2D/3D-Bilddatenregistration zu kompensieren. Hierbei wird die räumliche Lage eines Organs durch einen iterativen Vergleichsprozess von perspektivischen Volume-Renderings - sogenannten Digitally Rendered Radiographs (DRR), die aus dem Planungs-CT gewonnen werden - und einer Röntgenaufnahme bestimmt. Der Renderingprozess zur Erstellung einer DRR ist jedoch vergleichsweise zeitaufwändig; eine vollständige Registration des Tumorzielgebiets in Echtzeit, die zumindest einmal pro Sekunde eine aktuelle Position liefern sollte, ist dementsprechend noch im Entwicklungsstadium. In dieser Arbeit stellen wir zwei GPU-basierte Renderalgorithmen vor, die eine DRR mit 512 × 512 Pixeln aus einem 53 MB großen Datensatz in etwa 10 Millisekunden erzeugen. Diese Leistung wird durch die gezielte Vereinfachung von Algorithmen, die vom Ersatz herkömmlicher Raycastingverfahren durch Splatrendering bis hin zum gezielten Sub-Sampling des Raycastingprozesses reichen, erzielt. Des Weiteren werden parallelisierte Programmiertechniken (General Purpose computation on Graphics Processing Units - GPGPU) konsequent zum Einsatz gebracht. Die Qualität der Renderings und deren Einfluss auf den Registrationsprozess werden eingehend analysiert. Beide Methoden - Raycasting und Splatrendering - sind als gleichwertig zu betrachten. Dementsprechend betrachten wir die vorgestellten Verfahren als einen wichtigen Schritt in Richtung einer verbesserten Dosiskontrolle in der IGRT.