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Die Erfindung betrifft Verfahren und ein System zum Planen einer Bestrahlungstherapie für einen Patienten sowie ein computerlesbares Medium und ein Computerprogramm mit Planungsanweisungen.
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Bestrahlungstherapie bedeutet die Beaufschlagung eines Tumors mit einer hohen, heilsamen Strahlendosis, wobei die Dosis, mit der umgebende gesunde Gewebe und benachbarte gesunde Organe beaufschlagt werden, minimiert wird. Therapeutische Bestrahlungsdosen werden typischerweise mittels eines Beschleunigers von geladenen Teilchen geliefert, der derart aufgebaut ist, daß er einen Strahl hochenergetischer Elektronen liefert. Der Elektronenstrahl kann direkt auf eine oder mehrere Therapiestellen eines Patienten gerichtet werden, oder er kann dazu verwendet werden, eine Photonenstrahlung (z. B. Röntgenstrahlung) zu erzeugen, mit der der Patient beaufschlagt wird. Mit einem Mehrlamellenkolimator (Multi Leaf Colimator) kann die Gestalt des Bestrahlungsstrahls an der Therapiestelle mittels mehrerer Lamellen (oder Fingervorsprüngen) gesteuert werden, die derart positioniert sind, daß sie ausgewählte Bereiche des Bestrahlungsstrahls blockieren. Die mehreren Lamellen können programmiert werden, um den Bestrahlungsstrahl innerhalb der Grenzen der Therapiestelle zu halten und dadurch zu verhindern, daß gesunde Gewebe und Organe, die jenseits der Begrenzung der Therapiestelle angeordnet sind, dem Bestrahlungsstrahl ausgesetzt werden.
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Eine typische Bestrahlungstherapieplanung erfordert während mehrerer Tage oder Wochen die Abgabe einer Reihe von Bestrahlungsbehandlungsbruchteilen an den Patienten. Jede Bestrahlungsbehandlungsbruchteil besteht aus einer Folge von Bestrahlungssegmenten mit einem vorbestimmten kumulativen Dosisintensitätsprofil. Jedes Segment hat im allgemeinen ein unterschiedliches Intensitätsprofil und erfordert daher eine unterschiedliche Lamellenanordnung. Die für die Abgabe eines Bestrahlungsbruchteils erforderliche Zeitdauer hängt primär von der vorgeschriebenen kumulativen Dosis und der Anzahl von Segmenten ab, mit denen der Patient zu beaufschlagen ist. Um die Beeinträchtigungen, die die Patienten während der Beaufschlagung mit einem Behandlungsbruchteil erfahren, zu vermindern, wurden Anstrengungen dahingehend gemacht, die Zeitdauer zu vermindern, die notwendig ist, um den Patienten mit den Behandlungsbruchteilen zu beaufschlagen. Beispielsweise beschreibt das US-Patent
US 5 563 999 A ein Schema zum Optimieren der Abgabe eines intensitätsmodulierten Bestrahlungsstrahls durch selektives Kombinieren von Segmenten in einem einzigen Behandlungsbruchteil, um die Gesamtzahl von Segmenten in dem Behandlungsbruchteil zu vermindern.
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WO 00/15299 A1 betrifft Systeme und Verfahren zum Erhalten einer optimalen Bestrahlungsdosisanwendung und betrifft speziell das automatische Erzeugen individueller optimierter Behandlungsstrategien für mehrere Behandlungsziele bezüglich eines Patienten oder einer Mehrzahl von Patienten.
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Die Erfindung betrifft ein System, ein Verfahren, ein computerlesbares Medium sowie ein Computerprogramm zum Planen einer Behandlungstherapie, die eine Reihe von Bestrahlungsbruchteilen enthält, von denen jeder eine Folge von Behandlungssegmenten mit einem vorgeschriebenen kumulativen Dosisintensitätsprofil enthält, mit dem eine Therapiestelle eines Patienten beaufschlagt werden muss.
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Ausführungsformen können eine oder mehrere der nachfolgenden Merkmale enthalten.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Paar aufeinanderfolgender Bestrahlungsbehandlungsbruchteile erzeugt, wobei jeder Behandlungsbruchteil einen unterschiedlichen Satz von Bestrahlungssegmenten enthält.
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Gemeinsame Bestrahlungssegmente von zwei aufeinanderfolgenden vorgeschriebenen Bestrahlungsbehandlungsbruchteilen können miteinander kombiniert werden, um die Gesamtzahl von Bestrahlungssegmenten, mit denen der Patient beaufschlagt werden muss, zu vermindern. Die resultierenden Intensitätsprofile zweier aufeinanderfolgender Bestrahlungsbehandlungsbruchteile können unterschiedlich sein.
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Die Intensitätsprofile zweier aufeinanderfolgender Bestrahlungsbehandlungsbruchteile werden aus einem anfänglichen gemeinsamen Intensitätsprofil erzeugt. Das gemeinsame kumulative Dosisintensitätsprofil wird in eine Reihe von Schichten unterteilt, von denen jede einem vorbestimmten Dosispegel entspricht. Die Schichten werden vorzugsweise einem jeweiligen von zwei aufeinanderfolgenden Bestrahlungsbehandlungsbruchteilen wieder zugeordnet. Die Schichten können aufeinanderfolgenden Bestrahlungsbruchteilen derart wieder zugeordnet werden, so daß die Intensitätsprofile zweier aufeinanderfolgender Bestrahlungsbehandlungsbruchteile annähernd gleich sind. Benachbarte Schichten der Reihe von Schichten können verschiedenen von zwei aufeinanderfolgenden Behandlungsbestrahlungsbruchteilen zugeordnet werden. Die verbleibenden Behandlungsbestrahlungsbruchteile können in Bruchteilpaare gruppiert werden, wobei die Bruchteile jedes Paars jeweils ein zugehöriges intensitätsprofil haben, das aus den Schichten eines gemeinsamen Intensitätsprofils erzeugt wird. Die Behandlungsbruchteile jedes Paares können unterschiedliche Intensitätsprofile haben.
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Die zwei aufeinanderfolgenden Behandlungsbestrahlungsbruchteile sind normiert; die beiden aufeinanderfolgenden Bestrahlungsbehandlungsbruchteile werden normiert, indem der vorbestimmte Dosispegel jeder Schicht um die gleiche Menge vergrößert wird, um eine kumulative Bestrahlungsdosis für jeden Behandlungsbruchteil zu erreichen, die im wesentlichen die gleiche ist wie die kumulierte Bestrahlungsdosis des gemeinsamen Intensitätsprofils. In einer Ausführungsform können die Bestrahlungsbehandlungsbruchteile normiert werden, indem der vorbestimmte Dosispegel jeder Schicht im wesentlichen verdoppelt wird.
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In einer Ausführungsform kann die Gesamtzahl von Bestrahlungssegmenten, mit denen der Patient beaufschlagt wird, weiter vermindert werden. Bei dieser Ausführungsform kann das Intensitätsprofil eines ausgewählten der beiden aufeinanderfolgenden Bestrahlungsbehandlungsbruchteile in eine Mehrzahl von Bestrahlungssegmente unterteilt werden. Herausgeteilte Bestrahlungssegmente werden vorzugsweise kombiniert, um die Gesamtzahl von Bestrahlungssegmenten in dem ausgewählten Behandlungsbruchteil zu vermindern.
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Die Erfindung betrifft auch ein System, ein Computerprogramm und ein Computer lesbares Medium, das Anweisungen zum Planen der Anwendung einer Reihe von Bestrahlungsbehandlungsbruchteilen hat, wobei jeder Bruchteil eine Folge von Bestrahlungssegmenten mit einem vorgeschriebenen kumulierten Dosisintensitätsprofil enthält, mit dem eine Behandlungsstelle eines Patienten zu beaufschlagen ist. Das System, ein Computerprogramm und computerlesbare Medium sind jeweils betreibbar, um gemeinsame Bestrahlungssegmente von zwei Bestrahlungsbehandlungsbruchteilen zu kombinieren, um die Gesamtzahl von Bestrahlungssegmenten zu vermindern, mit denen der Patient zu beaufschlagen ist.
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Unter den Vorteilen der Erfindung sind folgende:
Die Erfindung kombiniert gemeinsame Bestrahlungssegmente über die Reihe der Bestrahlungsbehandlungsbruchteile in dem gesamten Behandlungsplan, um die Gesamtzahl von Segmenten in jedem Behandlungsbruchteil zu vermindern. Gemäß diesem erfindungsgemäßen Schema kann die Behandlungszeitdauer vermindert werden, ohne daß die gesamte, heilende biologische Wirkung des Behandlungsplans wesentlich verändert wird.
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Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung einschließlich der Zeichnungen und der Ansprüche deutlich.
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1 ist ein Blockdiagramm einer bekannten Bestrahlungsbehandlungsvorrichtung, die eine Therapiestelle eines Patienten mit einem therapeutisch wirksamen Bestrahlungsstrahl beaufschlagt.
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2 ist eine schematische topologische Ansicht eines bekannten Behandlungsbruchteilsintensitätsprofils.
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3A bis 3D sind schematische eindimensionale Intensitätsprofildarstellungen bei einem herkömmlichen Behandlungsplan, der aus der Beaufschlagung einer Therapiestelle eines Patienten mit dem Behandlungsbruchteil der 2 auf an jedem von vier aufeinanderfolgenden Tagen besteht.
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4 ist ein Flußdiagramm eines Verfahrens zum Planen des Ablaufes einer Bestrahlungstherapie.
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5 ist eine schematische eindimensionale Darstellung eines Intensitätsprofils eines Behandlungsbruchteils, der in eine Reihe von vier Schichten unterteilt ist.
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6A und 6B sind schematische eindimensionale Darstellungen von Teilintensitätsprofilen, die aus dem Intensitätsprofil der 5 erzeugt sind.
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7A und 7B sind schematische eindimensionale Darstellungen der Teilintensitätsprofile der 6A und 6B, normiert auf die kumulative Dosis des Behandlungsbruchteils der 5.
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8 ist eine schematische Ansicht von Matrizen zur Darstellung eines Verfahrens der Verminderung der Gesamtzahl von Behandlungssegmenten in einem Behandlungsbruchteil.
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Bezugnehmend auf 1 enthält ein herkömmlicher Beschleuniger 10 für geladene Teilchen zur Verwendung in einer medizinischen Bestrahlungstherapievorrichtung eine Reihe von Beschleunigungshohlräumen 12, 14, 16, die längs einer Strahlachse 18 ausgerichtet sind. Eine Teilchenquelle 20 (beispielsweise eine Elektronenkanone) richtet geladene Teilchen in den Beschleunigungshohlraum 12. Wenn sich die geladenen Teilchen durch die Folge von Beschleunigungshohlräumen 12 bis 16 hindurchbewegen, werden die Teilchen von einem elektromagnetischen Feld, das mittels einer äußeren Quelle angelegt wird, fokussiert und beschleunigt. Der sich ergebende beschleunigte Teilchenstrahl 24 kann auf ein magnetisches Energiefilter 26 gerichtet werden, das den Strahl 24 um etwa 270 Grad ablenkt. Ein gefilterter Ausgangsstrahl 28 wird durch ein Fenster 30 auf ein Target 32 gerichtet, das einen Photonenstrahl 34 erzeugt. Die Intensität des Bestrahlungsstrahls 34 ist typischerweise konstant. Eine oder mehrere einstellbare Lamellen 36 können positioniert sein, um ausgewählte Bereiche des Bestrahlungsstrahls 34 zu blockieren, damit die Begrenzung des Bestrahlungsstrahls 34 den Grenzen einer Therapiestelle 38 eines Patienten 40 entspricht. Ein Computer 42 ist typischerweise derart programmiert, daß er den Betrieb der Lamellen 34 steuert, um während des Behandlungsablaufes ein vorgeschriebenes Intensitätsprofil zu erzeugen.
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Ein herkömmlicher Behandlungsplan zum Heilen von beispielsweise einem Tumor eines Patienten enthält typischerweise die Abgabe von verschiedenen Behandlungsbruchteilen auf die Therapiestelle während verschiedener Tage. Das Ziel des Behandlungsplans liegt darin, den Tumor mit einer hohen heilenden Dosis zu beaufschlagen, während die Dosis, mit der normales Gewebe beaufschlagt wird, minimiert wird. Die kumulative Dosis, mit der ein Patient zu jedwelchem gegebenen Zeitpunkt beaufschlagt werden darf, ist typischerweise durch die Bestrahlungsdosistoleranz von kritischen gesunden Strukturen neben der Therapiestelle begrenzt. Das Verfahren des Lieferns einer optimalen Behandlung, die mit der Gestalt des Tumors übereinstimmt, enthält typischerweise die Modulation der Intensität des Bestrahlungsstrahls über die Strahlabmessung (d. h. senkrecht zur Strahlenachse). Die Modulation der Strahlenintensität wird dadurch erreicht, daß der Strahl in eine Folge von Bestrahlungssegmenten unterteilt wird, von denen jedes ein einheitliches Intensitätsprofil und eine unterschiedliche Strahlengestalt hat, wobei jede Gestalt durch die programmierte Position der Lamellen 36 definiert ist. Wie in 3A bis 3D gezeigt, wird herkömmlicherweise, nachdem ein Onkologe das optimale Intensitätsprofil und die optimale heilende Dosis zum Behandeln des Tumors bestimmt hat, das gleiche Bestrahlungsintensitätsprofil 50 an der Dosistoleranzgrenze einmal am Tag an den Patienten geliefert, bis die kumulierte, an den Tumor gelieferte Dosis die vorgeschriebene, optimal heilende Dosis erreicht.
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Wie vorstehend beschrieben, ist es in hohem Maße wünschenswert, die Zeitdauer zu vermindern, die erforderlich ist, um jeden Behandlungsbruchteil durchzuführen. In einer Ausführungsform der Erfindung wird dieses Ergebnis dadurch erreicht, daß gemeinsame Bestrahlungssegmente über die Reihe von Bestrahlungsbehandlungsbruchteilen in dem gesamten Behandlungsplan kombiniert (oder gruppiert) werden, um die Gesamtzahl von Segmenten in jedem Behandlungsbruchteil zu vermindern. Wie im folgenden im Detail beschrieben wird, kann erfindungsgemäß die Behandlungszeitdauer vermindert werden, ohne daß die gesamte, heilende biologische Wirkung des Behandlungsplans wesentlich geändert wird.
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Bezugnehmend auf 4 kann gemäß einer Ausführungsform die Gesamtzahl von an einen Patienten während eines Laufes eines Behandlungsplans gelieferten Behandlungssegmenten wie folgt vermindert werden Bestrahlungsbehandlungsbruchteile werden in Paare von aufeinanderfolgenden Behandlungsbruchteilen gruppiert (Schritt 60). Bei der vorliegenden Ausführungsform wird für die Bruchteile jedes Behandlungsbruchteilpaars angenommen, daß sie das gleiche anfängliche gemeinsame Intensitätsprofil haben; dennoch kann in anderen Ausführungsformen jeder Behandlungsbruchteil ein unterschiedliches anfängliches Intensitätsprofil haben. Das gemeinsame Intensitätsprofil jedes Bruchteilpaars wird in eine Reihe von Schichten (Schritt 62) unterteilt. Jede Schicht kann beispielsweise einer MU (Monitoreinheit) an Intensität entsprechen. Auf diese Weise kann, wenn ein gemeinsames Intensitätsprofil eine maximale Intensität von NMU hat, es in N – Schichten unterteilt werden. Die Schichten werden jedem von zwei aufeinanderfolgenden Behandlungsbruchteilen jedes Bruchteilpaars rückzugeordnet (Schritt 64). Die Schichten können den beiden aufeinanderfolgenden Behandlungsbruchteilen jedes Bruchteilpaars auf vielfältige Weise rückzugeordnet werden. Beispielsweise kann, wie in 5, 6A und 6B gezeigt, ein gemeinsames Intensitätsprofil 66 in vier Schichten 68, 70, 72, 74 unterteilt werden. Bei einer Ausführungsform können benachbarte Schichten eines gemeinsamen Intensitätsprofils 66 verschiedenen von aufeinanderfolgenden Behandlungsbruchteilen 76, 78 rückzugeordnet werden. Auf diese Weise kann der Behandlungsbruchteil 76 aus nichtbenachbarten Schichten 70, 74 bestehen und der Behandlungsbruchteil 78 kann aus nichtbenachbarten Schichten 68, 72 bestehen. Typischerweise führt dieses Verfahren der Zuordnung von Schichten zu Behandlungsbruchteilen 76, 78, die im wesentlichen ähnlich zueinander sind und im wesentlichen dem ursprünglichen, gemeinsamen Intensitätsprofil 66 ähnlich sind.
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Weiter wird, wie in 6A und 6B dargestellt, der vorbestimmte Dosispegel, d. h. (1 MU) jeder Schicht 68 bis 74 gleichmäßig erhöht, um das kumulierte Dosisintensitätsprofil jedes Behandlungsbruchteils 76, 78 (Stufe 80) gleichmäßig zu erhöhen. Typischerweise wird die kumulierte Dosis jedes Behandlungsbruchteils 76, 78 auf die kumulierte Dosis (beispielsweise das Dosistoleranzlimit) des gemeinsamen Intensitätsprofils 66 normiert. Die sich ergebenden normierten Behandlungsbruchteile 76, 78 haben relativ zu der Anzahl von Segmenten der anfänglichen Behandlungsbruchteile 66 eine verminderte Anzahl von Segmenten, ohne die heilsame, biologische Wirkung des gesamten Behandlungsplans wesentlich zu verändern. Beispielsweise sei angenommen, daß jede Schicht 68 bis 74 des gemeinsamen Behandlungsbruchteils 66 einem jeweiligen Segment entspricht; dann würde jeder der ursprünglichen, unmodifizierten Behandlungsbruchteile vier Segmente aufweisen, wohingegen jeder der modifizierten Behandlungsbruchteile 76, 78 nur zwei Segmente hat. Somit wird in diesem Beispiel die Gesamtzahl an den Patienten für jeden Behandlungsbruchteil gelieferten Segmente um 50% vermindert. Tatsächlich kombiniert das hier beschriebene erfindungsgemäße Verfahren gemeinsame Segmente aufeinanderfolgender Behandlungsbruchteile in jedem Bruchteilpaar, um die Gesamtzahl von Segmenten in jedem Behandlungsbruchteil zu vermindern. Da ein wesentlicher Teil der Behandlungszeitdauer dafür verwendet wird, die Kollimatorlamellen derart einzustellen, daß sie den erwünschten Gestalten der Segmente entsprechen, vermindert dieses Segmentverminderungsverfahren die gesamte Behandlungszeitdauer in einem wesentlichen Maß.
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Der Patient kann direkt mit den sich ergebenden Behandlungsbruchteilen 76, 78 beaufschlagt werden oder es kann die Anzahl der Segmente in jedem Behandlungsbruchteil weiter vermindert werden. In einer Ausführungsform wird die Anzahl von Segmenten in jedem Behandlungsbruchteil weiter vermindert, indem jeder Behandlungsbruchteil in eine Mehrzahl von Bestrahlungssegmenten (Schritt 82) unterteilt wird und zwei oder mehrere der gemeinsamen Segmente innerhalb jedes Behandlungsbruchteils kombiniert werden (Schritt 84).
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In dem Patent
US 5 663 999 A wird erläutert, wie entsprechend einem Intrabruchteilsegmentverminderungsverfahren ein Behandlungsbruchteilsintensitätsprofil als eine Matrix
90 von Intensitätswerten dargestellt werden kann, die entsprechend den räumlichen Stellen des Behandlungsbruchteilsintensitätsprofils angeordnet sind. In dem ersten Schritt des Intrabruchteilsegmentverminderungsverfahrens wird die Matrix
90 in eine Einheitsmatrix
92, die die größten einheitlichen Intensitätswerte enthält, die von der Matrix
90 abgezogen werden können, und eine Variationsmatrix
94 unterteilt, die den Unterschied zwischen der Matrix
90 und der Einheitsmatrix
92 darstellt. Die Einheitsmatrix
92 entspricht einem einzelnen Segment, da eine einzige Lamellenanordnung erforderlich ist, um das durch das Matrix
92 dargestellte Intensitätsprofil zu erzeugen. Die Variationsmatrix
94 dagegen entspricht drei Segmenten, da drei verschiedene Lamellenanordnungen erforderlich sind, um das durch die Matrix
94 dargestellte Intensitätsprofil zu erzeugen. In einem zweiten Schritt des Intrabehandlungssegmentverminderungsverfahrens wird die Anzahl von Segmenten der Variationsmatrix
94 vermindert, indem die minimale Anzahl von Einheitsmatrizen
96,
98 mit einer Summe, die gleich der Variationsmatrix
94 ist, erzeugt wird. Das Intensitätsprofil jeder der Einheitsmatrizen
96,
98 kann mittels einer einzigen Lamellenanordnung erzeugt werden und folglich entspricht jede Einheitsmatrix
96,
98 einem einzelnen Segment. Auf diese Weise kann das Bruchteilprofil der Matrix
90 mittels nur drei Segmenten (entsprechend den Matrizen
92,
96 und
98) erzeugt werden, im Gegensatz zu vier oder mehr Segmenten, die sonst erforderlich wären, wenn gemeinsame Segmente innerhalb der Matrix
90 nicht kombiniert würden.
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Andere Computertechniken können ebenfalls verwendet werden, um die Gesamtzahl von Segmenten in jedem Behandlungsbruchteil zu vermindern.
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Die hier beschriebenen Systeme und Verfahren sind nicht auf eine spezielle Hardware oder Softwarekonfiguration beschränkt, sondern können in jedwelche Computer- oder Datenverarbeitungsumgebung implementiert werden. Das Mehrfach-Lamellensteuerprogramm, das in dem Computer 42 arbeitet, ist vorzugsweise in einer hochentwickelten prozeß- oder objektorientierten Programmsprache implementiert; das Programm kann jedoch, wenn erwünscht, in Assembler oder Maschinensprache implementiert sein. Zusätzlich kann das Mehrfach-Lamellensteuerprogramm derart konfiguriert sein, daß die Anzahl von Segmenten in einem vorgeschriebenen Behandlungsplan, basierend auf einer anfänglichen Reihe von einem Onkologen vorgeschriebenen Behandlungsbruchteilen, vermindert wird. Alternativ kann das Programm mit dem anfänglichen Behandlungsfraktionerzeugungssystem derart integriert sein, daß die letztlichen, segmentverminderten Behandlungsbruchteile ”fliegend” erzeugt werden, ohne daß eine anfängliche Reihe von vorgeschriebenen Behandlungsbruchteilen erforderlich sind.
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Andere Ausführungsformen sind innerhalb des Umfangs der Patentansprüche.
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Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung
DE 100 23 158 A , eingereicht am 12. Mai 2000 mit dem Titel ”Verfahren und Mittel zur Herrichtung eines Bestrahlungsgerätes für die Durchführung einer Intensitätsmodulierten Radiotherapie sowie Bestrahlungsgerät”.
