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GPU basierte Parallelisierung von deformierbaren Registrierungsverfahren als Grundlage für dynamische Anpassungen von Therapieplänen in der adaptiven Strahlentherapie

Giske, Kristina

English Title: GPU based parallelisation of deformable image registration methods as foundation for dynamic adaptations of treatment plans in adaptive radiation therapy

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Abstract

Hochkonforme Strahlentherapietechniken ermöglichen eine gezielte Tumorbestrahlung bei maximaler Schonung des benachbarten gesunden Gewebes und der Risikoorgane. Anatomische Veränderungen während des Bestrahlungsverlaufs können jedoch zu einer Abweichung von der verschriebenen Dosisverteilung führen. Durch Adaptionen der Patientenposition oder des Bestrahlungsplans können diese Abweichungen kompensiert werden. Dafür werden Transformationen benötigt, die diese Veränderungen beschreiben. Die sich verändernde Anatomie wird unter der Therapie in Kontrollaufnahmen abgebildet. Um die Transformationen aus den Aufnahmen zu ermitteln, können Bildregistrierungsverfahren eingesetzt werden. Zur Berücksichtigung von lokalen Veränderungen der Anatomie werden deformierbare Registrierungsverfahren benötigt. Um während der Therapie auf beobachtete Veränderungen eingehen zu können, steht nur ein sehr enges Zeitfenster zur Verfügung. Existierende Registrierungsverfahren sind zu langsam, um diese Aufgabe erfüllen zu können. Durch Parallelisierung der algorithmischen Komponenten lassen sich die Registierungsverfahren signifikant beschleunigen, ohne die Genauigkeit zu reduzieren. In dieser Arbeit wurde ein hoch parallelisierbares Verfahren zur Ermittelung der Deformationen aus Bildern entwickelt und auf einer parallelen Architektur der GPU Hardware umgesetzt. Die resultierende Rechendauer von unter einer bis wenigen Minuten bei guter Registrierungsqualität kann die Umsetzung von adaptiven Korrekturstrategien noch während der Behandlung ermöglichen.

Translation of abstract (English)

Highly conformal radiation therapy techniques enable a targeted tumour irradiation with minimal impact on nearby healthy tissue and organs at risk. Changes in anatomy of the patient during the treatment course, which might lead to deviation from the previously prescribed dose distribution, can be compensated by adapting the position of the patient or the plan itself. For such adaptations the transformations describing those anatomical changes are needed. The current anatomy is acquired during the treatment course with control images. The transformations between the images can be extracted using image registration methods. Only little time is available to cope with observed changes during the therapy. Existing registration methods are to slow to fullfil this task. Parallelisation of the algorithmic components leads to a significant speed-up of registration methods without compromising the accuracy. In this project we developed and implemented a highly parallel deformable image registration method using the parallel architecture of a GPU hardware. The resulting duration of computations lies between less than one to a few minutes and the good accuracy of the results can enable the implementation of adaptive strategies within the same treatment fraction.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Oelfke, Prof. Dr. Uwe
Date of thesis defense: 19 January 2011
Date Deposited: 22 Feb 2011 09:59
Date: 2011
Faculties / Institutes: Service facilities > German Cancer Research Center (DKFZ)
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Strahlentherapie, Registrierung <Bildverarbeitung>
Uncontrolled Keywords: GPGPUradiation therapy , deformable image registration , GPGPU
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