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JOURNAL ONKOLOGIE – Artikel
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11. Dezember 2013

Anwendungen von Bildgebungsverfahren in der Strahlentherapie

F. Walter, V. Hankel, M. Flieger, U. Ganswindt, Klinik und Poliklinik für Strahlentherapie und Radioonkologie, München.

Die Möglichkeiten der medizinischen Bildgebungsverfahren haben auf unterschiedlichen Ebenen einen entscheidenden Einfluss auf die moderne Radiotherapie. Dabei sind die Diagnose und das Staging von Tumorpatienten vor Beginn einer Radiotherapie (RT) maßgeblich für die Entscheidung über das oft multimodale Therapiekonzept und somit auch indikationsführend für die Strahlentherapie. Eine hochkonformale Strahlentherapieplanung, wie sie heutzutage Standard in den meisten Zentren ist, wird anhand von eigenen CT-Datensätzen in Behandlungsposition des Patienten durchgeführt. Dabei werden die Zielvolumina und Risikoorgane anatomisch im Planungssystem auf CT-Schnittbildern definiert.  Die Berechnung der geplanten Dosisverteilung der ionisierenden Strahlung erfolgt über die im CT-Datensatz ermittelten Hounsfield-Einheiten. Zusätzliche Informationen liefern insbesondere ergänzende Schnittbildverfahren wie die Magnetresonanztomographie (MRT) und die Positronenemissionstomographie/ Computertomographie (PET/CT). Diese können in den modernen Planungssystemen mit dem Planungs-CT-Datensatz fusioniert werden und somit entscheidende Informationen zur Zielvolumendefinition liefern. Darüber hinaus stellt die wiederholte Anwendung von bildgebenden Maßnahmen während der Bestrahlungsserie eine präzise Applikation der Bestrahlungsdosis sicher und dient damit auch der Qualitätssicherung.

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Bildgebung in der Strahlentherapieplanung

Magnetresonanztomographie

Der Vorteil der MRT gegenüber der CT besteht in der hohen Auflösung verschiedener Weichgewebe. Dabei kommt auch neueren funktionellen MRT-Verfahren eine wachsende Bedeutung zu.

Die klassische MRT-Bildgebung wird zur Therapieplanung v.a. für Tumoren des zentralen Nervensystems, Tumoren des Urogenitalbereiches (v.a. Prostata) und des Abdomens, sowie für Weichteilsarkome oder das Mammakarzinom herangezogen. Meist wird diese durch eine standardisierte CT-Bildgebung mit Kontrastmittel und zum Teil funktioneller Diagnostik ergänzt.

Bei Tumorerkrankungen des zentralen Nervensystems ist die MRT im Rahmen der Ausgangsdiagnostik die Untersuchung der Wahl. Im Vergleich zu einer CT-Bildgebung können Gewebsläsionen häufig sicherer abgegrenzt werden, die differenzialdiagnostische Zuordnung einer Tumorerkrankung präziser erfolgen und die Tumorausdehnung besser beurteilt werden (1). Neben der besseren lokalen Beurteilung im Weichgewebe bietet die MRT ebenfalls einen Vorteil bei der Differenzierung von Tumoren gegenüber infektiösen oder entzündlichen Veränderungen.

Für die Beurteilung von Hirnläsionen und intrakraniellen Raumforderungen ist die Auswahl der geeigneten Sequenz von entscheidender Bedeutung. Die T1-gewichteten Sequenzen zeigen verlässlich die soliden Tumoranteile in einem suspekten Areal an, können aber nicht immer die reale Ausbreitung von Hirntumoren darstellen. Das zum Teil diffuse Tumorwachstum wird ggf. signifikant unterschätzt (2). Dem gegenüber stehen die perfusions- und diffusionsgewichteten MRT-Sequenzen, die bei der neuroonkologischen Diagnostik zunehmend an Bedeutung gewinnen. Gerade die diffusionsgewichteten MRT-Sequenzen sind geeignet, pathologische Veränderungen aufzudecken, bevor größere anatomische Gewebeveränderungen sichtbar werden.

Neben der Entwicklung neuer MRT-Sequenzen gewinnt deren zusätzliche Kombination mit der PET zunehmend an Bedeutung, im Falle von Gliomen z.B. mit dem Radiotracer 18FET, was häufig eine größere oder anatomisch abweichende Tumorausdehnung - als in der alleinigen MRT vermutet - zeigt (3).

Im Falle des Prostatakarzinoms als häufigste Krebserkrankung des Mannes findet die MRT ebenfalls zunehmend breite Anwendung. Die in den letzten Jahren zunächst erreichten wesentlichen Verbesserungen der Bestrahlungstechnik wie die hochkonformale RT oder intensitätsmodulierte Radiotherapie (IMRT) beruhten in erster Linie auf einer verbesserten Technologie auf Seite der CT-basierten Planungssysteme sowie der Linearbeschleuniger. Neue MRT-Techniken, wie z.B. die diffusionsgewichtete MRT, die MR-Spektroskopie oder die dynamische Kontrastmittel MRT erlauben hier eine wesentliche Verbesserung bei der Befundinterpretation (4). Die multiplanaren Rekonstruktionsmöglichkeiten ohne Verlust der hohen räumlichen Auflösung (5) erlauben der MRT eine genauere Darstellung der Prostata inklusive ihrer Anatomie, der Organgrenzen und die auch darüber hinaus möglichen Ausbreitungen in die umgebenden Weichgewebsstrukturen (6). Neben einer genaueren Abgrenzung der unterschiedlichen Gewebe mit verbesserter Tumor-abdeckung können weitere potenzielle Zielstrukturen identifiziert werden, die mit einer höheren Bestrahlungsdosis versorgt werden können (7).

Ein Grund, warum sich die MRT nicht schon früher in der Radiotherapieplanung etabliert hatte, ist die Tatsache, dass die Gewebedichtewerte der CT, die als Hounsfield-Units (HU) verfügbar sind, nach wie vor die Basis für digital rekonstruierte Modelle bei der Bestrahlungsplanung sind. Eine mögliche Lösung war der Transfer der MR-Zielvolumina auf CT-Datensätze (Abb. 1) oder die direkte Zielvolumenplanung in MRT-Datensätzen, mit einer Umrechnung der CT-Werte auf dreidimensionale MR-Voxel (8). Bezüglich der Qualitätssicherung konnte bereits gezeigt werden, dass die Verwendung einer MRT-basierten Radiotherapieplanung beim Prostatakarzinom  in einer niedrigeren Untersucher-abhängigen Variabilität resultiert (9).
 

Abb. 1: Fusionierter Bilddatensatz (CT/MRT) zur Bestrahlungsplanung eines Glioms. Sehnerv/Chiasma und Hirnstamm sind als Risikoorgane konturiert.

Positronenemissionstomographie

Die Integration der PET als funktionelle Bildgebung zur Bestrahlungsplanung zusätzlich zur CT hat sich für einige Entitäten bewährt. Der Vorteil liegt in der ergänzenden Information über die vitalen, stoffwechselaktiven Tumorareale. So konnte beim nicht kleinzelligen Bronchialkarzinom (NSCLC) gezeigt werden, dass sich das Zielvolumen unter Hinzunahme der PET/CT beträchtlich ändern kann. Bei alleiniger CT-basierter Planung können durch schlechtere Abgrenzbarkeit im Vergleich zur PET Unterdosierungen am PET-positiven Tumor auftreten, was unter Umständen zu einer geringeren Tumorkontrolle führt (10). Andere Studien zeigen, dass durch die PET-basierte Bestrahlungsplanung das Bestrahlungsvolumen verkleinert werden kann, ohne ein erhöhtes Lokalrezidiv- oder Lymphknotenrezidiv-Risiko in Kauf nehmen zu müssen (11). Darüber hinaus konnte mit diesem Vorgehen eine Reduktion der Lungenbelastung gezeigt werden, mit konsekutiv vermindertem Risiko einer radiogenen Pneumonitis. Bei 51% der Patienten zeigte sich hier ein Unterschied in den als befallen gewerteten Lymphknoten zwischen PET und CT, wodurch es zu einer Änderung des "gross tumor volume" (GTV) kam. Zusätzlich ermöglicht die PET eine bessere Abgrenzung atelektatischer Lungenanteile vom tatsächlichen Primärtumor (Abb. 2), wodurch ggf. wiederum eine Verkleinerung des GTV und damit eine bessere Schonung gesunder Lungenabschnitte erreicht werden kann (12, 13). Durch die Verwendung der PET zur Bestrahlungsplanung am Beispiel des Bronchialkarzinoms lässt sich somit die Zielvolumendefinition verbessern und die Untersucher-abhängige Variabilität bei der Bestrahlungsplanung reduzieren (14).

Ein anderer Tracer wird zur Diagnostik des Meningeoms verwendet. Da es sich bei diesen Tumoren häufig um benigne Erkrankungen mit langen Überlebenszeiten handelt, muss auch bei der Therapie ein großes Augenmerk auf das Bewahren der Lebensqualität und v.a. der Neurokognition gelegt werden. Die 68Ga-DOTATOC-PET kann in diesem Falle Informationen bezüglich der Infiltration von Weichgewebe oder Knochen liefern, sowie bei der Unterscheidung zwischen Meningeom- und postoperativem Narbengewebe helfen. So konnten die Zielvolumina in ersten Serien zuverlässig angepasst werden (15). Insbesondere die Verkleinerung des GTV in 40% der Fälle bei fraglicher Weichgewebs- oder Narbeninfiltration im MRT führt zu einer potenziellen Reduktion der möglichen Nebenwirkungen einer Strahlentherapie. Im Bereich der Schädelbasis konnten die zusätzlichen Informationen zur besseren Identifizierung einer Infiltration in den Knochen verwendet werden, was besonders an Wichtigkeit gewinnt, sobald hochpräzise Bestrahlungstechniken angewendet werden wie die IMRT (16). Insbesondere an in der MRT anatomisch schwer beurteilbaren Regionen wie der Schädelbasis, Falx cerebri oder bei Bildartefakten zeigte sich die PET der alleinigen MRT- und CT-Bildgebung überlegen bei der Detektion von kleinen Meningeomen (17).

Ein weiteres Beispiel - wie bereits erwähnt - ist die Strahlentherapie von Glioblastomen, sei es im Rahmen von definitiven Konzepten, postoperativ oder meist in Kombination mit einer Chemotherapie. Auch hier zeigt sich ein zusätzlicher Nutzen der PET zur präziseren Tumorkonturierung. Hierbei werden auf Grund des erhöhten Aminosäureumsatzes in hirneigenen Tumoren Aminosäure-Tracer verwendet. Es fällt auf, dass die Ausdehnung des Zielvolumens unter Berücksichtigung sowohl der PET als auch der MRT häufig größer ist als in der rein CT- oder MRT-morphologischen Bildgebung (3, 18). Dies lässt sich möglicherweise mit Tumoranteilen erklären, die zu klein sind, um in der Kernspintomographie erkannt zu werden, während das begleitende Ödem keinen Tracer aufnimmt. Ebenso zeigt sich, dass in der MRT postoperativ verändertes Gewebe Kontrastmittel aufnimmt, was somit möglicherweise schwierig von vitalem Tumorgewebe zu unterscheiden ist. Es konnte gezeigt werden, dass nicht nur die Größe der Bestrahlungsvolumina, sondern auch die geometrische Ausdehnung sich je nach verwendeter Dia-gnostik unterscheidet (19). Zusätzlich ließ sich durch die ergänzende Diagnostik die Untersucherabhängigkeit bei der Zielvolumendefinition vermindern. Als zusätzlicher Vorteil einer cerebralen PET-Bildgebung erweist sich die Möglichkeit der besseren Differenzierung zwischen einem echten Progress, Pseudoprogress oder einer Radionekrose (20).

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass bei ausgewählten Entitäten die erweiterte Diagnostik mittels PET zusätzliche Informationen generiert, die für die Bestrahlungsplanung genutzt werden können, um einerseits das biologische Tumorvolumen vollständig zu erfassen, andererseits aber auch die potenzielle Toxizität durch zu große Bestrahlungsvolumina zu mindern.

Bildgestützte Radiotherapie - image guided radiotherapie (IGRT)

Mit Einführung der hochpräzisen Bestrahlungstechniken wie der hochkonformalen CT-gestützten Radiotherapie, IMRT und stereotaktischen Bestrahlungstechniken ist eine präzise Dosisapplikation im Zielgewebe bei gleichzeitiger maximaler Schonung der Normalgewebe planungstechnisch möglich geworden. Diese Methoden zeichnen sich durch einen scharfen Dosisgradienten zwischen Zielvolumen und zu schützenden Risikoorganen aus. Das erlaubt die Applikation einer hohen Strahlendosis im Tumor bei gleichzeitig geringerer Belastung von Normalgewebe in der unmittelbaren anatomischen Nachbarschaft und lässt damit einen geringeren Grad an Toxizität erwarten (21, 22). Um eine Unterdosierung im Bereich der Zielstrukturen beziehungsweise eine Überdosierung an den Risikoorganen zu vermeiden, ist somit eine präzise Lagerung des Patienten in der Bestrahlungssituation zwingend notwendig. Voraussetzungen für die Umsetzung hochkonformaler Behandlungspläne sind also eine ausreichende Immobilisation des Patienten bzw. die Berücksichtigung beweglicher Organe, sowie eine reproduzierbare Lagerung des Patienten mit geeigneten Lagerungshilfen. In der Bestrahlungssituation wird der Patient hierfür anhand eines Laserkreuzes, welches im Bestrahlungsraum fix projiziert wird, auf der Patientencouch gelagert. Die beim Planungs-CT angebrachten Hautmarkierungen und Referenzpunkte dienen als visuelle Orientierungshilfe. Auf diese Weise wird das sogenannte Isozentrum, also der virtuelle Punkt im Patienten, in welchem sich die Strahlenbündel aus allen Raumrichtungen treffen, im Behandlungsraum mit dem Isozentrum des Bestrahlerkopfes in Deckung gebracht. Der Begriff "image guided" Radiotherapie (IGRT) oder bildgestützte RT beschreibt die wiederholte Anwendung von bildgebenden Verfahren im Bestrahlungsraum zur Sicherstellung der korrekten Patientenpositionierung. Hierfür stehen unterschiedliche zwei- und dreidimensionale Bildgebungsmodalitäten zur Verfügung. Anforderungen an die zur Bildgebung verwendeten Methoden sind dabei ein möglichst geringer Zeitaufwand und eine geringe Belastung für den Patienten. Darüber hinaus muss eine geeignete Bildgebung eine möglichst präzise und unverzerrte Darstellung des Zielgewebes oder entsprechender anatomischer Marker liefern.
 

Abb. 2: Eindeutige Abgrenzung des Primärtumors vom teilatelektatischen Mittellappens rechts vom in der PET-Bildgebung (links) im Vergleich mit der konventionellen CT-Bildgebung (rechts) bei zentralem Bronchial-Karzinom.
 

Man unterscheidet zwischen sogenannten online- und offline Korrekturverfahren (23). In beiden Fällen wird eine Bildgebung vor Applikation der therapeutischen Bestrahlung durchgeführt. Bei der online-Korrektur wird die Information der durchgeführten Bildgebung unmittelbar zur Repositionierung des Patienten genutzt. Die Patientencouch wird entsprechend den ermittelten Abweichungen von der Planungssituation in den drei Raumrichtungen verfahren. Bei der offline-Korrektur wird nach erfolgter Bildgebung die Bestrahlung ohne Repositionierung des Patienten zunächst durchgeführt. Retrospektiv wird anhand der Bildgebungsinformation eine Entscheidung bezüglich einer Repositionierung des Patienten getroffen, welche dann in darauffolgenden Bestrahlungssitzungen umgesetzt wird.

Die am längsten etablierte und einfachste Methode der Bildgebung im Behandlungsraum ist die Anfertigung von planaren Röntgenbildern. Dabei kann im einfachsten Fall der Therapiestrahl mit einer Energie im Megavolt(MV)-Bereich genutzt werden. Einen stärkeren Kontrast bei gleichzeitig geringerer Strahlenbelastung erreichen jedoch Röntgenbilder im Kilovolt(kV)-Dosisbereich (23). Die modernen Bestrahlungsgeräte bieten die Möglichkeit filmlose Aufnahmen über Halbleiterdetektoren im sogenannten "flat panel" zu erstellen. Durch Anfertigung von orthogonalen Aufnahmen kann die korrekte Position des Patienten anhand der abgebildeten Knochenstrukturen bestimmt werden. Diese Methode ermöglicht nicht nur die Lagekontrolle, sondern auch die Konfiguration des Therapiestrahls aus dem gewählten Winkel darzustellen und dient damit im Sinne des Qualitätsmanagements als sogenannte Verifikationsaufnahme.

Nachteil der Bildgebung mittels orthogonaler Röntgenbilder ist, dass sich die Patientenpositionierung dabei rein auf die abgebildeten Knochenstrukturen stützt. Als ergänzende bildgebende Methode können neuerdings auch oberflächenbasierte Scanner zum Einsatz kommen. Diese haben den Vorteil, dass sie keine ionisierende Strahlung verursachen und damit keine zusätzliche Strahlenbelastung für den Patienten darstellen. Mithilfe von sichtbarem Licht wird dabei die Oberfläche des Patienten gescannt und mit der rekonstruierten Oberfläche aus dem Planungs-CT-Datensatz verglichen (Abb. 3). Dieser Ansatz bietet sich insbesondere bei oberflächlich gelegenen Tumoren wie zum Beispiel bei der adjuvanten Bestrahlung von Patientinnen mit Mammakarzinom an. Darüber hinaus sind die Oberflächenscanner in der Lage jederzeit ein Echtzeitbild des Patienten zu liefern. Damit können Bewegungen des Patienten während der Bestrahlung, wie insbesondere die Atmung, quantifiziert und gegebenenfalls darauf reagiert werden. Dies kommt bei der Bestrahlung in tiefer Inspiration oder der atemgetriggerten Bestrahlung zum Einsatz (24).
 

Abb. 3: Vergleich der Planungsoberfläche rekonstruiert aus dem Datensatz des Planungs-CTs (grün) mit dem aktuellen Oberflächen-Scan in der Bestrahlungssituation (blau).

Durch den vermehrten Einsatz von bildgebenden Verfahren rückt die Problematik der Beweglichkeit von Tumoren zunehmend in den Vordergrund (25, 26). Prinzipiell unterscheidet man dabei die inter- von der intrafraktionellen Bewegung. Interfraktionelle Verschiebung entsteht zwischen zwei Bestrahlungsfraktionen zum Beispiel durch Lagerungsunsicherheit oder durch Änderungen der Anatomie wie etwa bei starkem Gewichtsverlust oder Änderungen des Tumorvolumens unter der Therapie. Die intrafraktionelle Beweglichkeit entsteht durch Bewegung des Patienten oder von Organen während der Anwendung der Bestrahlung. Faktoren, die auf die intrafraktionelle Bewegung von Tumoren Einfluss nehmen, sind insbesondere der Füllungszustand umgebender Organe oder unwillkürliche Organbewegungen wie z.B. die Atemexkursion oder die Herzaktion. So haben beispielsweise die Blasen- und Mastdarmfüllung einen entscheidenden Einfluss auf die Lage der Prostata (27), ebenso wie die Atemexkursion auf die Beweglichkeit von Tumoren im Thorax und oberen Abdomen (21, 28). Es ergeben sich also aus der Lokalisation von Tumoren unterschiedliche Anforderungen an bildgebende Maßnahmen zur Beurteilung der Lage.

Die Sonographie stellt eine belastungsarme Möglichkeit der täglichen volumetrischen Bildgebung dar, die sich insbesondere zur Beurteilung von Weichteilen eignet (29). Die zur Patientenpositionierung entwickelten Ultraschallgeräte registrieren die räumliche Ausrichtung des Schallkopfes im Bestrahlungsraum und ermöglichen einen Abgleich des untersuchten Zielgewebes mit dem Planungs-CT-Datensatz. Ihre Anwendung findet diese Methode insbesondere bei der Beurteilung von Tumoren im Abdomen (30, 31), bei gynäkologischen Tumoren oder Tumoren des Urogenitalsystems. Sicherlich die häufigste Anwendung findet die Sonographie bei der Lagekontrolle von Patienten mit Prostatakarzinomen. Es konnte gezeigt werden, dass die Lage der Prostata abhängig vom Füllungszustand von Blase und Rektum interfraktionell um 3-5 Millimeter variiert (27). Durch eine tägliche sonographische Bildführung mit oder ohne Implantation von Goldmarkern im Zielvolumen kann diese Lageunsicherheit täglich korrigiert werden (27).

Die Bestrahlungsplanung wird anhand eines CT-Datensatzes durchgeführt. Es liegt daher nahe, auch die Positionierung von Patienten in der Behandlungssituation anhand einer CT-Bildgebung zu verifizieren. Prinzipiell lässt sich dies durch zwei Methoden verwirklichen. Zum einen ist ein mit dem Bestrahlungsgerät in Reihe geschaltetes diagnostisches "in-room"-CT denkbar. Hierbei wird vom Patienten - auf der Bestrahlungscouch gelagert - erst eine CT angefertigt und dieser danach - ohne Umlagerung - unter den Bestrahlerkopf gefahren. Dieser Ansatz liefert zwar eine optimale Bildgebung, ist jedoch technisch aufwändig und bedeutet eine wiederholte Anwendung relevanter Mengen an ionisierender Strahlung allein für die Bildgebung. Eine andere Möglichkeit bietet das Conebeam-CT welches den Behandlungsstrahl mit MV-Strahlen oder auch im kV-Bereich nutzt (32, 33). Das Conebeam-CT liefert in einer Umdrehung von 360° um den Patienten 2D-Projektionen, welche rekonstruiert werden zu einem 3D-Volumen analog dem Planungs-CT Datensatz. Die Information des Conebeam-CT kann mit den Schnittbildern der Planungs-CT und den darauf konturierten Zielvolumina fusioniert werden (Abb. 4) und erlaubt dadurch eine Beurteilung sowohl der Zielvolumina als auch der zu schonenden Normalgewebe (28). Anhand des dreidimensionalen Conebeam-CT-Datensatzes ist die Korrektur der Patientenpositionierung in alle räumliche Richtungen möglich, inklusive der Rotation in unterschiedliche Winkel (32).
 

Abb. 4: Darstellung eines Tumors im rechten Oberlappen. Direkter Vergleich des aktuellen Conebeam-CT (CBCT) mit dem Planungs-CT Datensatz im geteilten Bildschirm.

Schlussfolgerung

In Zusammenschau lassen sich unter dem zunehmend in die Routineversorgung eingehenden Ansatz der bildgeführten Strahlentherapie somit sowohl die Nutzung o.g. optimierter diagnostischer bildgebender Verfahren zur Bestrahlungsplanung wie auch die Nutzung von bildgebenden Verfahren während der Applikation verstehen. Die gesetzten Ziele der bildgestützten Radiotherapie sind es durch eine Verbesserung der Zielvolumendefinition wie auch der Patientenpositionierung in der Behandlungssituation längerfristig die bestrahlten Volumina zu verkleinern, um die Toxizität der Behandlung zu reduzieren (34) sowie sinnvolle Dosiseskalationen zu ermöglichen und damit eine verbesserte lokale Tumorkontrolle zu erreichen. Auch wenn aktuell die Datenlage, insbesondere, was prospektive Studien angeht, noch einigen Raum für neue Erkenntnisse zulässt, und die IGRT zunächst mit einem relativen Mehraufwand an Zeit, Personal und nicht zuletzt Kosten verbunden ist, kann der Nutzen in der klinischen Routine als kaum bestreitbar angesehen werden.




 

Franziska Walter

Klinik und Poliklinik für Strahlentherapie und Radioonkologie
Campus Großhadern & Campus Innenstadt
Marchioninistr. 15
81377 München

Tel.: 089 7095 3770
Fax. 089 7095 6770
E-Mail: Franziska.Walter@med.uni-muenchen.de



Abstract

F. Walter, V. Hankel, M. Flieger, U. Ganswindt, Klinik und Poliklinik für Strahlentherapie und Radioonkologie, München


Various medical imaging modalities are used in the process of planning radiotherapy and during treatment. Highly conformal CT-based radiotherapy planning techniques are currently standard in most institutions. Target volumes and organs at risk are therefore defined on a planning-CT-dataset which is acquired with the patient in treatment positioning and dose distribution is calculated based on Hounsfield units. Additional diagnostic imaging such as Magnetic Resonance Imaging (MRI) or Positron Emission Tomography/Computed Tomography (PET/CT) is frequently performed to optimize target volume definition and delineation. Moreover different imaging tools are used to ensure reproducible patient positioning during radiation treatment. This article aims to illustrate the different applications of medical imaging in the course of radiotherapy.

Keywords: medical imaging modalities, radiotherapy, MRI, PET/CT


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