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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum korrekten Lokalisieren eines
zu bestrahlenden Zielvolumens in Bestrahlungssystemen zur Strahlentherapie.
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Die
Strahlentherapie ist heute ein wesentliches Verfahren zur Behandlung
von Krebserkrankungen. Sie wird vorwiegend dort angewandt wo Operationen
zu risikoreich erscheinen, insbesondere wenn die Größe oder
die Lage eines Tumors ein chirurgisches Entfernen ohne lebenswichtige
Strukturen zu verletzen nicht zulassen oder ein Organverlust wie beispielsweise
bei Brustkrebs, Kehlkopfkrebs oder Prostatakrebs vermieden werden
soll. Ziel der Strahlentherapie ist das Ausschalten malignen tumorösen Gewebes
bei gleichzeitiger Schonung gesunden Gewebes um therapieinduzierte
Nebenwirkungen auf ein Minimum zu reduzieren. Tumoröses Gewebe
soll durch hochenergetische Strahlung zerstört, umliegendes gesundes Gewebe
aber weitgehend erhalten bleiben.
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Das
Zielvolumen wird bei einer Strahlenbehandlung aus mehreren Richtungen
bestrahlt. Für
jedes Strahlenbündel
einer bestimmten Strahlorientierung ist dabei die Dosis so gering
gehalten, dass das durchstrahlte gesunde Gewebe keinen Schaden nimmt.
Die unterschiedlich orientierten Strahlenbündel sind alle auf das Zielvolumen
des Krankheitsherdes gerichtet, so dass sich hier die geringen Strahlendosen
der einzelnen Strahlenbündels
zu einer hohen Dosis aufsummieren.
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Um
eine hohe Strahlenbelastung gesunden Gewebes in der Umgebung des
Krankheitsherdes zu vermeiden ist das Grundprinzip jeder Bestrahlungsplanung
das Behandlungsvolumen, wie es durch die Überlagerung der unterschiedlich
orientierten Strahlenbündel
gegeben ist dem Zielvolumen, wie es durch das tumoröse Gewebe
vorgegeben ist, durch adäquate
Bestrahlungstechniken anzugleichen. Moderne Bestrahlungssysteme
mit Multi-Leaf-Kollimatoren gestatten komplexe Bestrahlungstechniken
mit sehr präzisen
Strahlgeometrien, wobei auch Intensitätsmodulationen möglich sind.
Durch die individuelle Abschirmung gesunden Gewebes im Strahlenfeld
eines jeden Strahlenbündels
wird hierbei die hohe Strahlendosis ausschließlich auf das Zielvolumen konzentriert.
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Vor
Beginn einer therapeutischen Strahlenbehandlung wird auf Grundlage
pre-operativ erstellter tomographischer Bilddatensätze eine
präzise
Bestrahlungsplanung und Bestrahlungssimulation durchgeführt. Diese
Bilddatensätze
zur exakten Darstellung von Tumor und Organsystemen werden i.A. mit
Mitteln der Computertomographie, der Kernspintomographie oder der
Positronenemissions-Tomographie gewonnen. Die strahlentherapeutisch
relevanten Objekte wie das tumoröse
Gewebe und die Risikoorgane werden in den Bilddaten markiert um daraus
die optimalen Orientierungen und Positionierungen der einzelnen,
von der Bestrahlungseinrichtung des Bestrahlungssystems zur Strahlentherapie emittierten
Strahlenfelder zu bestimmen und zu einer präzisen Abschätzung der anzuwendenden Dosisportionen
zu gelangen.
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Eine
genaue Abschätzung
der Dosis-Volumen-Beziehung sowohl für das Zielgebiet wie für die Risikoorgane
erfordert eine exakte Übertragung
der Ergebnisse der Bestrahlungsplanung auf die jeweils aktuelle
reale Situation einer Strahlenbehandlung. Da im Rahmen einer Strahlentherapie
mehrere Behandlungen erforderlich sind, muss damit gerechnet werden,
dass sich die strahlentherapeutisch relevanten Objekte nicht immer
in der selben Position befinden. Unterschiedliche Lagerung eines
Patienten bei den Planungs- und Behandlungsphasen aber auch Einflüsse wie
z.B. ein Gewichtsverlust des Patienten innerhalb eines Behandlungszeitraums
führen
zu einer Verlagerung der Organe relativ zu den für die Bestrahlungsplanung zugrundegelegten
Positionen. In der Folge ist zu befürchten, dass zum einen das
Zielvolumen nicht genügend
bestrahlt wird und zum anderen die Strahlenbelastung der Risikoorgane
die festgelegten Dosiswerte überschreitet.
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Um
eine identische Lagerung des Patienten in der Behandlungsphase wie
in der Planungsphase zu erzielen, sind gegenwärtig mehrere Verfahren gebräuchlich.
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Ein
Verfahren besteht im Aufbringen von Markierungspunkten auf, manchmal
auch in die Hautoberfläche
des Patienten. In der Bestrahlungsplanung werden geometrische Beziehungen
zwischen den Positionen der Markierungen und den strahlentherapeutisch
relevanten Objekten festgelegt. Laserlichtvisiere verifizieren die
Lage der Markierungen bei der Behandlung und schätzen daraus die aktuelle Lage
der strahlentherapeutisch relevanten Objekte ab. Die Grenzen dieses
Verfahrens sind immer dann gegeben, wenn sich ein Organ, beispielsweise
auf Grund einer veränderten
Patientenlagerung relativ zu den Markierungspunkten verschiebt oder
seine geometrische Form bzw. körperliche
Ausprägung
gegenüber
der Planungsphase verändert.
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Ein
anderes, Portal-Imaging genanntes Verfahren zur reproduzierbaren
Patientenlagerung nutzt die hochenergetische Strahlung des Bestrahlungsgerätes zur
Bildgebung mittels einer Photoplatte oder eines Detektors. Aktuelle
Organpositionen können
so bestimmt werden. Da es sich um ein projektives Bildgebungsverfahren
handelt, wird die Darstellung der strahlentherapeutisch relevanten
Objekte nachteilig von anderen Organen im Strahlengang überlagert. Auch
können
Weichteilobjektkanten wegen der hohen Strahlenergie nur schwer in
den Bilddaten verifiziert werden, so dass nur Knochenkanten deutlich identifizierbar
sind. In der Veröffentlichung "A Novel Portal Imaging
Device for Advanced Radiation Therapy" von C. Iacobaeus, A. Brahme, M. Danielsson, P.
Fonte, J. Ostling, V. Peskov und M. Wallmark in IEEE TRANSACTIONS
ON NUCLEAR SCIENCE, VOL. 48, NO. 4, AUGUST 2001, p. 1496 – 1502,
ist ein derartiges Verfahren beschrieben.
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In
der Radiochirurgie wird ein stereotaktisch geführtes Strahlenbündel aus
vielen unterschiedlichen Richtungen von außen in den Körper auf
das tumoröse
Gewebe gerichtet. Hierzu wird am Kopf des Patienten ein stereotaktischer
Rahmen befestigt, der als Bezugspunkt für die Bestrahlungspositionierung verwendet
wird. Da ein fester geometrischer Bezug zwischen dem Zielvolumen
und dem stereotaktischen Rahmen gegeben sein muss, funktioniert
dieses Verfahren nur bei rigiden Objekten wie z.B. einem Schädel. Für Anwendungen
wie beispielsweise im Abdomenbereich eines Patienten ist es nicht
geeignet. Darüber
hinaus muss der Rahmen bei jeder der Serie von Bestrahlungsbehandlungen
mit großem
Aufwand präzise
in der ursprünglichen
Position am Patienten montiert werden.
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Prototypisch
wird versucht einem Bestrahlungsgerät einen Computertomographen
so beizustellen, dass beide dieselbe Patientenliege verwenden. Auf
diese Weise lassen sich aktuelle Bilddaten vom Patienten ermitteln
und in der Bestrahlung berücksichtigen
ohne dass größere Veränderungen
in Position und Geometrie strahlentherapeutisch relevanter Objekte
befürchtet
werden müssen.
Wegen der geringen Auslastung des hierfür bereitgestellten Computertomographen
und den zusätzlichen
konstruktiven Anforderungen an die Patientenliege fallen enorme
Kosten an, die nicht ohne weiteres amortisiert werden können. Weiterhin
ist auch bei diesem Verfahren eine Veränderung der Patientenlagerung auf
dem Wege vom Computertomographen zur Bestrahlungseinrichtung des
Bestrahlungssystems nicht gänzlich
ausgeschlossen.
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Erste
Ansätze,
die in das Jahr 1999 zurückgehen,
werden verfolgt, um mittels einer kV cone-beam Bildgebung die Patientenanatomie
während
oder vor der Bestrahlung möglichst
exakt abzubilden. Der Vorteil der kV cone-beam Bildgebung gegenüber dem
vorher beschriebenen 3D Portal imaging besteht in der signifikant
verbesserten Niedrigkontrastdarstellung und damit der besseren Organabbildung
in den 3D Bildern. Zu diesem Zweck wird eine kV-Strahlungsquelle
(Röntgenröhre) an
der Gantry befestigt. Erste Ergebnisse sind in der Veröffentlichung "A radiographic and
tomographic imaging system integrated into a medical linear accelerator
for localization of bone and soft-tissue targets." von Jaffray DA,
Drake DG, Moreau M, Martinez AA, Wong JW in Int J Radiat Oncol Biol
Phys, 45(3):773–89, 1999
Phys, 45(3): 773–89,
1999, [URL: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?cmd=Retrieve&db =PubMed&list_uids=10524434&dopt=Abstract]
beschrieben.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung anzugeben,
die eine Überprüfung der
aktuellen Lage und/der aktuellen geometrischen Form strahlentherapeutisch
relevanter Objekte in Geräten
zur Strahlentherapie bei geringer Strahlenbelastung und geringem
Arbeitsaufwand kostengünstig
ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch eine radiographische Bildaufnahmevorrichtung für die Verwendung
in Geräten
zur Strahlentherapie mit einer Röntgenquelle
zur Emission von Röntgenstrahlen,
einem Röntgendetektor
zum Nachweis von der Röntgenquelle
emittierter Röntgenstrahlung
und zur Umsetzung der Röntgenstrahlung
in elektrische Signale für eine
weitere Verarbeitung und einer Steuereinrichtung für das Verarbeiten
der elektrischen Signale des Röntgendetektors
zu einem dreidimensionalen Bilddatensatz und zum Ermitteln von Daten
zur Kennzeichnung der aktuellen räumlichen Lage und der aktuellen
räumlichen
Form strahlentherapeutisch relevanter Objekte aus dem dreidimensionalen
Bilddatensatz zur Zielführung
der therapeutischen Bestrahlung.
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Obige
Aufgabe wird weiterhin gelöst
durch eine Vorrichtung zur Strahlentherapie mit einer Bestrahlungseinrichtung
zur therapeutischen Bestrahlung von Patienten, einer Lagerungseinrichtung
zur Lagerung eines Patienten während
der Bestrahlung und zum Positionieren strahlentherapeutisch relevanter
Objekte des Patienten in den Strahlengang der Bestrahlungseinrichtung
und einer erfindungsgemäßen radiographischen
Bildaufnahmevorrichtung, wobei das von der Röntgenquelle durchstrahlte und vom
Röntgendetektor
erfasste Volumen in einem Patienten das von der Bestrahlungseinrichtung
bestrahlte Volumen in dem Patienten für jede Bestrahlungseinstellung
umfasst.
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Damit
können
die Daten einer Bestrahlungsplanung vorteilhaft an gegenüber der
ursprünglichen Planung
veränderte
Situationen, wie sie beispielsweise durch eine abweichende Lagerung
eines Patienten oder durch physische Veränderungen am Patienten selbst
gegeben sind, angepasst werden. Die Qualität der Bestrahlung wird signifikant
gesteigert und moderne Verfahren wie die Intensitätsmodulation
können
damit exakt eingesetzt werden.
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Da
der Mediziner das Strahlenbündel
zur Therapie kontrolliert in das Zielvolumen leiten kann, erhält er eine
größere Flexibilität bei der
Vorbereitung und Durchführung
einzelner Bestrahlungen und kann die zur Therapie notwendige Strahlenbelastung
deutlich reduzieren. Ferner ist eine reproduzierbare Lagerung des
Patienten nicht mehr erforderlich, womit sich der Aufwand zur Vorbereitung
der Bestrahlung deutlich redu ziert. Als Folge kann der Durchsatz
an den Geräten
zur Strahlentherapie in spürbarem Maße gesteigert
werden wodurch sich die Kosten für eine
einzelne Strahlenbehandlung spürbar
senken lassen.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungen
sind in den entsprechenden Unteransprüchen definiert.
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Der
Röntgendetektor
zum Nachweis einer von der Röntgenquelle
emittierten Röntgenstrahlung und
zur Umsetzung der Röntgenstrahlung
in elektrische Signale ist vorteilhaft als Flachbild-Detektor oder
als Bildverstärker
ausgeführt,
so dass ein zweidimensionales Projektionsbild des Untersuchungsbereichs
erhalten wird.
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Vorzugsweise
enthält
die Steuereinrichtung eine erste Steuereinheit zum Ansteuern der
Röntgenquelle
und eine zweite Steuereinheit zum Ansteuern des Röntgendetektors.
Auf diese Weise kann die Röntgenbelastung
des Patienten auf das zum Erzielen der notwendigen Bildinformation
minimale Maß gesenkt
werden.
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Weiterhin
referenziert die Steuereinrichtung vorteilhafterweise den dreidimensionalen
Bilddatensatz und/oder die Daten zur Kennzeichnung der aktuellen
räumlichen
Position und der aktuellen räumlichen
Geometrie strahlentherapeutisch relevanter Objekte im Koordinatensystem
der Bestrahlungseinrichtung um einen unmittelbaren Vergleich der
aktuellen Daten mit den Daten eines Bestrahlungsplans für die Bestrahlungseinrichtung
zu erhalten.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ermittelt die Steuereinrichtung aus den
Daten zur Kennzeichnung der aktuellen räumlichen Position und der aktuellen
räumlichen Geometrie
strahlentherapeutisch relevanter Objekte Korrekturdaten für die Bestrahlungseinrichtung,
die eine direkte Anpassung des Bestrahlungsplans an die jeweils
aktuelle Situation erlauben.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Strahlentherapie kann auch so ausgeführt werden, dass die Bestimmung
der aktuellen räumlichen
Position und der aktuellen räumlichen
Geometrie strahlentherapeutisch relevanter Objekte simultan zur
therapeutischen Bestrahlung der strahlentherapeutisch relevanten
Objekte erfolgt. Auf dieser Basis eröffnet sich die Möglichkeit
einer unmittelbaren Anpassung der therapeutischen Bestrahlungseinstellung,
wie z.B. Dosis, Strahlgeometrie, Bestrahlungswinkel oder dergleichen,
an momentane Veränderungen
in Lage und Ausprägung
eines Zielvolumens und der betroffenen Risikoorgane während einer
Strahlenbehandlung.
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Entsprechend
einer vorteilhaften Weiterentwicklung der vorliegenden Erfindung
werden aus einzelnen Bildaufnahmen der radiographischen Bildaufnahmevorrichtung
während
einer therapeutischen Bestrahlung kurzfristige Veränderungen
in der räumlichen
Position und der räumlichen
Geometrie strahlentherapeutisch relevanter Objekte nachgewiesen und
die therapeutische Bestrahlung den nachgewiesenen Veränderungen
entsprechend angepasst, so dass eine exakte Konformationsradiotherapie
basierend auf der unmittelbaren Nachführung der Bestrahlungseinstellungen
an Veränderungen
des Zielvolumens und der benachbarten Gebiete durchgeführt werden
kann.
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Im
Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels
näher beschrieben,
wobei auf folgende Figu- ren verwiesen wird, von denen
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1 ein
erfindungsgemäßes Gerät zur Strahlentherapie
zeigt und
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2 ein
Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung zur Ermittlung
der räumlichen
Daten strahlentherapeutisch relevanter Objekte zeigt.
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Einander
entsprechende Objekte besitzen in den verschiedenen Figuren gleiche
Bezugszeichen.
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Die
in 1 dargestellte Vorrichtung zur Strahlentherapie 100 gibt
einen Überblick über die Komponenten
des erfindungsgemäßen therapeutischen
Bestrahlungssystems. Es setzt sich aus der 'Gantry' genannten Bestrahlungseinrichtung 110, dem
verfahrbaren Patiententisch 120 und der erfindungsgemäßen radiographischen
Bildaufnahmevorrichtung mit dem Röntgenstrahldetektor 102 und
der Röntgenquelle 101 zur
Emission eines Röntgenstrahlbündels 104 in
Richtung des Röntgenstrahldetektors 102 sowie
der Steuereinrichtung 103 für das Ermitteln der Positions-
und Geometriedaten der strahlentherapeutisch relevanten Objekte
eines Patienten zusammen.
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Im
Strahlerkopf 111 der Gantry 110 befindet sich
entweder eine Gammastrahlenquelle öder eine Quelle zur Erzeugung
hochenergetischer Photonenstrahlung und Elektronen. Erste kann beispielsweise in
Form eines Kobaltpräparats
ausgeführt
sein, letztere z.B. als Linearbeschleuniger. Welche Strahlenart im
Einzelfall zum Einsatz kommt hängt
von Art und Lage des Krankheitsherdes ab und wird im Behandlungsplan
festgelegt. Gammastrahlen eignen sich für die kurative Strahlenbehandlung
eher halbtief gelegener, ultraharte Röntgenstrahlung wie die hochenergetische
Photonenstrahlung für
die Therapie tiefliegenderer und Elektronenstrahlen als Maßnahme gegen
oberflächennahe
Krankheitsherde.
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Damit
das tumoröse
Gewebe eines Patienten aus unterschiedlichen Richtungen bestrahlt
werden kann, besitzt die Gantry einen Freiheitsgrad der Rotation
um die Rotationsachse 112. Zur exakten Positionierung des
zu bestrahlenden Volumens eines Patienten in den Strahlengang der
Gantry ist der Patiententisch in drei translatorischen Freiheitsgraden verfahrbar.
In weiteren Ausführungsformen
kann der Patiententisch gekippt und in der Liegeebene gedreht werden.
Alternativ zur Darstellung der 1 kann auch
eine Ausstattung der Gantry 110 mit translatorischen Verfahrmöglichkeiten
verwendet werden, so dass die Patientenliege stationär benutzt
werden kann.
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Die
kombinierten Bewegungsmöglichkeiten von
Gantry 110 und Patiententisch definieren ein Koordinatensystem
der Bestrahlungseinrichtung in dem ein Mediziner die Position und
Orientierung jedes einzelnen therapeutischen Bestrahlungsbündels festlegt.
In diesem Koordinatensystem sind daher auch die räumliche
Position und die räumliche
Geometrie der zu bestrahlenden Tumor und Organsysteme bei der Bestrahlungsplanung
definiert und eventuelle Veränderungen
in Lage und Ausprägung
der strahlentherapeutisch relevanten Objekte müssen daher in diesem Koordinatensystem
ausgedrückt
werden.
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In
der Darstellung der 1 ist die Röntgenquelle 101 der
erfindungsgemäßen radiographischen Bildaufnahmevorrichtung
am unteren Rand der Stirnseite des auskragenden Arms der Gantry 110 angebracht.
Der Strahlenkegel 104 der Röntgenquelle 101 ist
so ausgerichtet, dass er den Bereich des vom Strahlerkopf 111 emittierten
Strahlenbündels
in Höhe der
Lage der strahlentherapeutisch relevanten Objekte umfasst, so dass
das gesamte Volumen des behandlungsrelevanten Gebiets überwacht
werden kann.
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Der
Zentralstrahl des von der Röntgenquelle 101 emittierten
diagnostischen Strahlenkegels ist daher nicht deckungsgleich mit
dem des vom Strahlerkopf 111 ausgehenden therapeutischen
Strahlenbündels.
Dies bietet Vorteile bei Verwendung von im Energiebereich der angewandten
therapeutischen Strahlung empfindlichen Röntgendetektoren 102,
da hierbei eine Überlagerung
zweier Abbildungen aus unterschiedlichen Projektionsrichtungen vermieden wird.
Bei Verwendung von Röntgendetektoren 102 die
keine störende
Empfindlichkeit gegenüber
der therapeutischen Strahlung aufweisen kann die Röntgenquelle
im Strahlerkopf 111 integriert werden, so dass eine koaxiale
bzw. angenähert
koaxiale Anordnung des diagnostischen und therapeutischen Strahlenbündels erzielt
wird. In anderen Wor ten, die Blickrichtung der diagnostischen Bildaufnahmevorrichtung
entspricht in diesem Falle der therapeutischen Bestrahlungsorientierung.
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Eine
koaxiale Anordnung von Röntgenquelle 101 und
Strahlerkopf 111 erlaubt eine Kontrolle des Zielgebiets
während
der Bestrahlungsbehandlung. Verändert
sich z.B. auf Grund einer Bewegung des Patienten während der
Bestrahlung die Lage des gerade bestrahlten tumorösen Gewebes,
so kann bei der koaxialen Anordnung die Auswirkung dieser Veränderung
auf die Querschnittsgeometrie des therapeutischen Strahlenbündels unmittelbar
gemessen und auf dieser Basis die Strahlgeometrie sofort nachgeführt werden.
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Auch
bei nicht koaxial angeordneten diagnostischen und therapeutischen
Strahlenbündeln kann
eine Nachführung
der Querschnittsgeometrie des Therapiestrahls während der Bestrahlung selbst über eine
Transformation zwischen den unterschiedlichen Projektionsorientierungen
realisiert werden. Besonders bei unregelmäßig geformten Tumoren jedoch
muss hierbei auf die Kenntnis der dreidimensionalen Ausprägung des
Tumors zurückgegriffen
werden, so dass sich der Rechenaufwand gegenüber der koaxialen Bedingung
leicht erhöht.
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Die
Anordnung des Röntgendetektors 102 an
der Gantry 110 ergibt sich aus der oben erwähnten Bedingung,
dass die Einheit aus Röntgenquelle 101,
Strahlenkegel 104 und Röntgendetektor 102 zumindest
das von der therapeutischen Strahlung erfasste Zielvolumen, besser
aber auch das gesamte von der therapeutischen Strahlung im Patienten
erfasste Bestrahlungsvolumen abbildet. Vorzugsweise ist der Röntgendetektor
ausfahr- oder ausklappbar am Fuß der
Gantry 110 angeordnet, so dass für alle Positionierungszustände des
Patiententisches und Orientierungen der Gantry 110 eine
Durchleuchtung des gewünschten
Bereichs eines Patienten möglich ist.
Vorteilhaft überwacht
ein Kollisionsdetektor, dass es zu keinen Beschädigungen des Röntgendetektors 102 bei
Verfahren von Patiententisch 120 und Gantry 110 kommt.
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Die
radiographische Bildaufnahmevorrichtung kann als punkt- bzw. zeilenweise
abtastendes oder als projektives Abbildungssystem verwirklicht werden.
Erstere zeichnen sich gegenwärtig
durch einen geringeren Rauschanteil, letztere durch kürze Messzeiten
aus. Bevorzugt wird für
die vorliegende Erfindung ein Flachbild-Detektor oder ein Bildverstärker verwendet,
da sie bei geringer Röntgenstrahlbelastung
sofort ein zweidimensionales Projektionsbild des Untersuchungsbereiches
liefern.
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Zur
genauen Bestimmung der Lage und der Geometrie der strahlentherapeutisch
relevanten Objekte ist eine dreidimensionale Bildinformation erforderlich.
Bei einem Projektionsbild erhält
man die laterale Verteilung der Schwächung des von der Röntgenquelle 101 emittierten
Strahlenbündels 104 nach einem
Durchtritt durch die Untersuchungsobjekte in Projektionsrichtung.
Für die
dreidimensionale Rekonstruktion der Untersuchungsobjekte werden
mehrere Projektionsbilder der Untersuchungsobjekte aus unterschiedlichen
Projektionsrichtungen bzw. Winkeln aufgenommen. Aus den so erhaltenen
zweidimensionalen Daten wird ein dreidimensionaler Bilddatensatz
berechnet, der die räumliche
Geometrie der Untersuchungsobjekte wiedergibt. Die dafür notwendige räumliche
Kalibrierung, also die Zuordnung der räumlicher Koordinaten zu den
Blickpunkten der Projektionsbilder der jeweiligen Projektionsrichtungen erfolgt üblicherweise
mit Hilfe geeigneter Kalibrierphantome.
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Um
eine feste Relation der Orientierungen der Projektionsbilder mit
den Orientierungen des therapeutischen Strahlenbündels zu erhalten, ist die
radiographische Bildaufnahmevorrichtung während der Aufnahmen vorzugsweise
starr mit der Bestrahlungseinrichtung 110 verbunden.
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Alternativ
kann die radiographische Bildaufnahmevorrichtung als eigenständiges System
in einem festen geometrischen Bezug zur Gantry 110 aufgestellt
werden, so dass die Projektionsrichtungen des diagnostischen Strahlenkegels
in einer definierten Beziehung zu denen des therapeutischen Strahlenbündels stehen.
Damit kann unmittelbar vor Bestrahlungsbeginn eine genaue Bestimmung
von Lage und Form der strahlentherapeutisch relevanten Objekte vorgenommen
werden.
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Zur
Kontrolle der Objekte während
der Bestrahlung wird bei freistehender radiographischer Bildaufnahmevorrichtung
eine Steuerung verwendet, welche deren Projektionsrichtung mit der
Projektionsrichtung der therapeutischen Bestrahlungseinrichtung 110 synchronisiert.
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Das
Blockdiagramm der 2 zeigt die Funktionseinheiten
der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung 103 der
radiographischen Bildaufnahmevorrichtung und ihr Zusammenwirken
mit der Röntgenquelle 101,
dem Röntgendetektor 102 und
weiteren Einheiten der Strahlentherapievorrichtung.
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Um
die Strahlenbelastung eines Patienten auf das notwendige Minimum
zu beschränken,
wird die Röntgenquelle 101 nur
zum Zwecke einer Aufnahme betrieben. Hierzu besitzt die Steuereinrichtung 103 eine
Quellen-Steuereinheit 201 zur Ansteuerung der Röntgenquelle,
die neben der Steuerung der Emission von Röntgenstrahlung 104 auch
die Einstellung deren Betriebsparameter wie beispielsweise die Strahlenergie,
Röntgenfokus
und Raumwinkel des Strahlkegels vornimmt und kontrolliert.
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Eine
Detektor-Steuereinheit 202 der Steuereinrichtung 103 übernimmt
die Ansteuerung des Röntgendetektors 102.
Neben eventueller mechanischer Steuerung des Ausfahr- bzw. Ausklappmechanismus
versorgt und kontrolliert die Detektor-Steuereinheit 202 den Röntgendetektor 102 mit
den zum Erzielen eines optimalen Kontrastes notwendigen Betriebsmitteln.
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Abhängig von
der Ausgestaltung des Röntgendetektors 102 ist
die in Form von Bildsignalen vom Röntgendetektor erhältliche Bildinformation
unterschiedlich. Bei punkt- und zeilenweise abtastenden Detektorsystemen
muss jedes Bild aus den Teilbild-Informationen zusammengesetzt werden,
wobei die Identifikation des Teilbildes aus den Steuerdaten der
Quellen- bzw. der Detektor-Steuereinheiten 201 bzw. 202 erfolgt,
die über
den Datenbus 208 erhalten werden. Im Gegensatz hierzu erzeugen
flächenförmige Detektoren
die Bildinformation eines zweidimensionalen Projektionsbildes in
einem Arbeitsgang, so dass eine schnelle Bildaufzeichnung gewährleistet ist.
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Die
Detektorsignal-Verarbeitungseinheit 203 der Steuereinrichtung 103 wandelt
die Bildsignale des Röntgendetektors 102 in
zweidimensionale Bilddatensätze
um, von denen ein jeder ein Projektionsbild in digitaler Form wiedergibt.
Als kennzeichnende Identifikation wird jeder einzelne Bilddatensatz
zumindest mit einem Datensatz zur Kennzeichnung der ihm zugrundeliegenden
Projektionsbedingung referenziert.
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Auf
der Basis dieser Referenzen berechnet die Rekonstruktionseinheit 204 der
Steuereinheit 103 aus den zweidimensionalen Bilddatensätzen einer Aufnahmeserie
einen dreidimensionalen Bilddatensatz, der die räumliche Verteilung der Absorptions- bzw.
Schwächungswerte
der untersuchten Objekte wiedergibt.
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In
einer besonderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung werden in einer Referenzierungseinheit 205 der
Steuereinrichtung 103 die dreidimensionalen Bilddatensätze im Koordinatensystem der
Bestrahlungseinrichtung referenziert. Unter Koordinatensystem ist
hierbei nicht unbedingt ein Koordinatensystem im mathematisch-physikalischen
Sinne zu verstehen. Statt dessen kann die Referenzierung in den
Steuereinheiten von Gantry und Patiententisch vorgenommen werden,
wobei die Koordinatenachsen in diesem Fall den verwendeten Freiheitsgraden
der Bewegungsmodalitäten
dieser Geräte entsprechen.
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Von
Vorteil ist eine Referenzierung des dreidimensionalen Bilddatensatzes
insbesondere im Hinblick auf seine Vergleichbarkeit mit den während der Bestrahlungsplanung
und – simulation
erstellten Bestrahlungsdaten.
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In
der Geometrie-Analyseeinheit 206 werden Risiko- und Zielobjekte
der Bestrahlungsbehandlung identifiziert und die räumliche
Lage und geometrische Ausprägung
der Objekte ermittelt.
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Die
Identifikation der einzelnen Objekte im dreidimensionalen Bilddatensatz
kann sich beispielsweise auf für
diese Objekte charakteristische Röntgenschwächungswerte oder auf aus dem
Bilddatensatz segmentierte Hüllflächen der
Objekte oder auf eine Kombination beider Verfahren stützen oder
auch auf dergleichen Methoden wie sie auf Basis üblicher Segmentierungsverfahren
verfügbar
sind.
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Wird
ein Objekt anhand seiner Form identifiziert, so kann dies anhand
spezieller Formcharakteristiken erfolgen, so dass ein detailliertes
Herausarbeiten einer Form aus dem Datensatz durch ein mit geringerem
Rechenaufwand möglichem
Extrahieren der Formcharakteristik ersetzt wird. Die zugrundegelegten
Formcharakteristika können
als Standards für bestimmte
Organe und Tumorformen verfügbar
gehalten werden oder aus dem pre-operativ
gemessenen Bilddatensätzen
abgeleitet werden. Die Identifikation kann weiterhin auch auf der
Basis von Plausibilitätsvergleichen
zwischen den pre-operativen Bilddatensätzen der Bestrahlungsplanung
und dem aktuellen Bilddatensatz vorgenommen werden.
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Die
Form, respektive die räumliche
Ausprägung
der einzelnen Objekte wird durch Segmentieren der entsprechenden
Objekte aus dem dreidimensionalen Bilddatensatz ermittelt. Die resultierende Formbeschreibung
kann dabei die Darstellung eines Volumenkörpers oder Flächenkörpers, der
nur die umhüllende
Oberfläche
des Objekts widerspiegelt, annehmen.
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Da
bildlich beschreibende Daten eine große Menge nutzbarer kombiniert
mit nichtnutzbarer Information in sich vereinen, vor allem aber,
da ihr Informationsgehalt nicht in direkt verwertbarer Form vorliegt,
berechnet die Geometrie-Analyseeinheit 206 aus
den bildlichen Formdaten auf der Basis der Identifikation der einzelnen
Objekte die Daten zur Kennzeichnung der aktuellen räumlichen
Position und der aktuellen räumlichen
Geometrie strahlentherapeutisch relevanter Objekte so dass sie im
Hinblick auf eine Korrektur der Bestrahlung direkt verwendet werden
können.
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Aufbauend
auf diesen Daten können
Korrekturwerte zur Nachführung
der Bestrahlungsparameter in den Steuerungen 221 und 220 der
Bestrahlungseinrichtung 110 direkt berechnet werden. Vorzugsweise
erfolgt diese Berechnung aber in der Korrektureinheit 207 der
Steuereinheit 103, und die Strahlsteuerung 221 sowie
Gantry- und Patiententisch-Steuerung 220 erhalten von dieser
die ermittelten Korrekturdaten zur Nachführung der Bestrahlungsparameter.
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Die
Korrekturdaten beinhalten einen Vergleich der pre-operativen, dem Bestrahlungsplan
zugrundeliegenden Daten zur Kennzeichnung der aktuellen räumlichen
Position und der aktuellen räumlichen
Geometrie strahlentherapeutisch relevanter Objekte mit den entsprechenden
aktuellen Daten. Die Nachführung
der Bestrahlungsparameter erfolgt so, dass die Abweichung der objektspezifischen
Dosisportion von der in der Bestrahlungsplanung festgelegten minimiert
wird.
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Erreicht
wird dieses Ziel nicht nur über
eine Anpassung der jeweiligen Querschnittsgeometrie des Therapiestrahls
an die aktuelle Situation wie sie in der Strahlsteuerung 221 vorgenommen
wird, sondern auch über
eine geeignete Nachführung
des Bestrahlungswinkels sowie der Positionierung und Ausrichtung
des Patiententisches, wie sie mittels der Gantry- und Patiententisch-Steuerung 220 vorgenommen
werden.
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Um
eine einwandfreie Funktion der Steuereinrichtung 103 zu
gewährleisten,
verfügt
diese über eine
Einheit 209 zur Ablaufsteuerung, die über einen Datenbus 208 mit
den anderen Einheiten der Steuereinrichtung kommuniziert. Der Datenbus 208 dient auch
zur Datenübertragung
zwischen den anderen Einheiten 201 bis 212 der
Steuereinrichtung.
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Zur
Interaktion mit einem Benutzer der strahlentherapeutischen Vorrichtung 100 ist
in der Steuereinrichtung 103 eine Ein/Ausgabe-Schnittstelle 211 vorgesehen.
Diese gestattet die Eingabe von Daten mittels Eingabehilfen 213 durch
einen Benutzer zur Einflussnahme auf die Wirkungen und Funktionen der
radiographischen Bildaufnahmevorrichtung und die Ausgabe von Daten
dieser Vorrichtung an Speichermedien, Drucker, Sichtgeräte oder
an eine Datenleitung und dergleichen. Für die Ausgabe von Bilddaten
z.B. der Detektorsignal-Verarbeitungseinheit 203 oder
der Rekonstruktionseinheit 204 an ein Datensichtgerät 212 verfügt die Steuereinrichtung 103 über eine
Bildverarbeitungseinheit 210 zur Aufbereitung der Bilddatensätze in vom
Datensichtgerät verarbeitbare
Bildsignale.
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Die
erfindungsgemäße Erweiterung
einer therapeutischen Bestrahlungsvorrichtung um eine radiographische
Bildaufnahmevorrichtung zum Ermitteln von Daten zur Kennzeichnung
der aktuellen räumlichen
Position und der aktuellen räumlichen Geometrie
strahlentherapeutisch relevanter Objekte ermöglicht eine präzise Zielführung der
therapeutischen Bestrahlung in den Krankheitsherd eines Patienten.
Damit wird ein Einbringen der berechneten Dosisportion in das zu
zerstörende
Gewebe sichergestellt und die Strahlenbelastung der es umgebenden
Risikoorgane deutlich gesenkt.