DE10147633A1 - Bestrahlungssystem und Bestrahlungsziel Bewegungs-Überwachungsverfahren sowie Bestrahlungszielpositions-Erkennungsverfahren - Google Patents

Abstract

Ein Bestrahlungssystem enthält einen Meßabschnitt für Position und Richtung (6) zum Berechnen der relativen Position und Richtung zwischen verschiedenen Komponenten des Systems; einen Bestrahlungsbedingungs-Korrekturabschnitt (7), um Positionen und Richtungen der Bestrahlungszielbereiche in den Bildern unter Verwendung von Berechnungsergebnissen, die von dem Meßabschnitt für Position und Richtung erhalten wurden, und von Vergleichsergebnissen, die durch Vergleich der Bestrahlungszielbereiche in den von einem Bestrahlungsziel-Bilderwerbsabschnitt (3, 4) aufgenommen wurden, erhalten wurden, und um die Bestrahlungsbedingungen derart zu korrigieren, daß die erhaltenen Positionen und Richtungen in den Bestrahlungsbedingungen reflektiert sind; und einen Steuerabschnitt (8) zum Steuern der Strahlung zu dem Bestrahlungszielbereich in Abhängigkeit von den Bestrahlungsbedingungen, die als ein Ergebnis der Korrektur durch den Bestrahlungsbedingungs-Korrekturabschnitt erhalten wurden. Das Bestrahlungssystem kann ein Problem eines herkömmlichen Systems dadurch lösen, daß, obgleich das herkömmliche System wirksam für die Strahlentherapie bei einem Kopfbereich ist, seine Bestrahlungsgenauigkeit im Rumpfbereich wie bei inneren Organen herabgesetzt ist, in welchem die Wirkung der Körperbewegung wie durch die Atmung größer als in dem Kopfbereich ist, und sich daher die Postion und Richtung des Bestrahlungsziels kontinuierlich ändern.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Bestrahlungssystem, das bei der Bestrahlungsthe­ rapie eingesetzt wird, bei welcher eine Strahlung auf ein Bestrahlungsziel wie einen Tumor gelenkt wird, und insbesondere auf ein Bestrahlungssystem und ein Bestrahlungsziel Bewegungs-Überwachungsverfahren bei diesem sowie ein Bestrahlungsziel Positions-Erken­ nungsverfahren, das die Strahlung lenken kann, in dem die Position und Richtung eines Bestrahlungsziels ge­ nau erkannt werden können ohne Verwendung eines Posi­ tionierungsrahmens, während die Position und Richtung des bestrahlten Ziels direkt überwacht werden.

Die Bestrahlungstherapie ist eine Behandlung, um Tu­ more zu reduzieren oder zu eliminieren, indem eine intensive Strahlung auf die Tumore eines Patienten gelenkt wird. Um eine derartige Strahlentherapie durchzuführen, ist es erforderlich, eine Strahlung mit Intensität und in zweckmäßiger Menge zu einem Tu­ mor, einem zu bestrahlenden Ziel, zu bringen. Zur selben Zeit ist es erforderlich, die Strahlenbela­ stung für das umgebende gesunde Gewebe so gering wie möglich zu halten.

Somit wird die Strahlentherapie so durchgeführt, daß eine übermäßige Bestrahlung des Tumors und seines um­ gebendes gesunden Gewebes unterdrückt wird durch Zu­ führen von Strahlung aus mehreren Richtungen mit be­ sonderer Betonung auf den Tumor als das Bestrahlungs­ ziel, so daß nur der Tumor intensiv bestrahlt wird.

Um eine wirksame Bestrahlung nur des Ziels intensiv und genau zu erzielen, ist es wesentlich, die Positi­ on und Richtung des Ziels zu messen, die relative Po­ sition und Richtung zwischen dem Ziel und einem Be­ strahlungskopf zu berechnen und die Vor- und Nachtei­ le der Bestrahlung anhand der errechneten Ergebnisse zu bestimmen.

Genauer gesagt, ein Satz von Bilddaten eines Bestrah­ lungsbereichs einschließlich des Zieltumors wird vor der Bestrahlung aufgenommen und die relative Position und Richtung zwischen dem Ziel und dem Bestrahlungs­ kopf wird anhand des Satzes von Bilddaten gemessen, wodurch die Bestrahlungstherapie in bezug auf die Richtungen und die Bestrahlungsdosis zusammen mit der Dauer und der Anzahl der Bestrahlungen geplant wird, um die Bestrahlungstherapie entsprechend dem Plan durchzuführen.

Bei einer solchen Strahlentherapie wie vorstehend be­ schrieben gibt es ein Verfahren zum Vergraben eines Markierers nahe dem Zieltumor als eine der Techniken, um die Position und die Richtung des Ziels genau zu messen. Bei diesem Verfahren ermöglicht die Fixierung der relativen Position und Richtung zwischen dem Mar­ kierer und dem Bestrahlungskopf die Messung der Posi­ tion und Richtung zwischen dem Ziel und dem Bestrah­ lungskopf mit Bezug auf den Markierer ungeachtet der Veränderungen der Position und Richtung des Ziels aufgrund von Bewegungen des Patienten, und es ermög­ licht daher die Bestrahlung mit Fixierung der relati­ ven Position und Richtung zwischen dem Ziel und dem Bestrahlungskopf. Dieses Verfahren ist jedoch in gro­ ßem Maße belastend für den Patienten dadurch, daß der Markierer in den Körper eingepflanzt werden muß. So­ mit ist es bevorzugt, dieses Verfahren soweit wie möglich zu vermeiden unter Berücksichtigung der auf den Patienten ausgeübten Belastung.

Angesichts dieses Problems wurde eine andere Strah­ lentherapie vorgeschlagen, welche die Position und die Richtung ohne das Einpflanzen des Markierers in den Körper des Patienten genau messen kann. Dieses Verfahren fixiert einen festen Rahmen aus Metall oder dergleichen auf der Oberfläche des Kopfes des Patien­ ten, um die Position und Richtung zwischen dem Ziel und dem Bestrahlungskopf mit Bezug auf den Rahmen ge­ nau zu messen und steuert die Bestrahlung mit der Fi­ xierung der relativen Position und Richtung zwischen dem Ziel und dem Bestrahlungskopf.

Dieses Verfahren nutzt den Umstand, daß wenig Bewe­ gung aufgrund von Atmung oder dergleichen innerhalb des Kopfes stattfindet, da das Gehirn in dem Schädel angeordnet ist. Die Fixierung des Rahmens auf der Oberfläche des Kopfes und die Aufrechterhaltung der fixierten Position kann nahezu die relative Position und Richtung zwischen dem Rahmen und dem Ziel während der Bestrahlung fixieren. Weiterhin kann die relative Position und Richtung zwischen dem Rahmen und der Be­ strahlungsvorrichtung (Bestrahlungskopf) genau gemes­ sen werden durch Fixieren des Rahmens auf einem Be­ handlungstisch oder durch Installieren eines Positi­ ons- und Richtungssensors auf dem Rahmen.

Somit ermöglicht die genaue Messung der Position und Richtung des Rahmens die genaue Positionserkennung und Bestrahlung des Zieltumors.

Da jedoch der Rahmen üblicherweise von der Zeit der Bildmessung des Bestrahlungsbereichs einschließlich des Zieltumors zum Planen der Strahlentherapie bis zur Zeit der Steuerung der tatsächlichen Bestrahlung an dem Patienten befestigt ist, ist die auf den Pati­ enten ausgeübte Belastung beträchtlich. Da zusätzlich der Rahmen ziemlich fest angebracht ist, um eine Ver­ schiebung des Rahmens zu verhindern, ist es unver­ meidbar, daß der Patient Gefühle der Einengung und des Drucks hat. Somit dient eine Positionserkennung des Zieltumors ohne Verwendung des Rahmens zur Ver­ besserung der therapeutischen Bedingungen für den Pa­ tienten.

Als Techniken zur Durchführung der nichtbelastenden Strahlentherapie für einen Kopfbereich gibt es eine "Wiederholungsfixierung für eine rahmenlose stereo­ taktische Prozedur", die in US-A-5 588 430 offenbart ist, und ein Radiokamera-System von Kobayashi Sofamor Danek, welches dieses Patent verwendet.

Fig. 5 zeigt schematisch eine Konfiguration zum Er­ kennen der Position eines Bestrahlungsziels bei dem herkömmlichen Bestrahlungssystem, der "Wiederholungs­ fixierung für eine rahmenlose stereotaktische Proze­ dur", die in der genannten US-A-5 588 430 offenbart ist. In dieser Figur bezeichnet die Bezugszahl 51 den Kopf eines Patienten, in welchem sich ein zu bestrah­ lender Zieltumor befindet; 52 bezeichnet einen Be­ handlungstisch, auf welchem der Patient liegt; und 53 bezeichnet einen Kopfring, dessen Struktur einfacher als die des herkömmlichen Rahmens ist, um den Kopf 51 des Patienten auf dem Behandlungstisch 52 zu halten. Die Bezugszahl 54 bezeichnet eine Beißplatte mit LEDs (lichtemittierenden Dioden), die an dieser befestigt sind, um die Position der Körperoberfläche des Pati­ enten zu messen; und 55 bezeichnet ein Mundstück, an welchem die Beißplatte 54 befestigt ist und in wel­ ches der Patient beißt.

Als nächstes wird die Arbeitsweise nach dem herkömm­ lichen Verfahren beschrieben.

Zuerst wird der Kopf 51 des Patienten mittels des Kopfringes 53 auf dem Behandlungstisch 52 befestigt. Dann wird die Beißplatte 54, die als ein Markierer zum Messen der Position und Richtung dient, an dem Mundstück 55, in welches der Patient beißt, befe­ stigt. Die Beißplatte 54 ist mit Bezug auf den Kopf 51 des Patienten während der Bestrahlung nahezu unbe­ weglich. Demgemäß wird angenommen, daß die relative Position und Richtung zwischen der Beißplatte 54 und dem Bestrahlungsziel in dem Kopf 51 nahezu unverän­ derlich sind. Daher ermöglicht es die Messung der dreidimensionalen Position und Richtung der Beißplat­ te 54, die Position und Richtung des Zieltumors indi­ rekt zu schätzen.

Da das Bestrahlungssystem dem Patienten ermöglicht, wieder genau positioniert zu werden, indem er nur in die Beißplatte 54 beißt, ist es zusätzlich für den Patienten nicht erforderlich, bei der zweiten und den folgenden Bestrahlungen den Kopfring 53 zu tragen, wodurch die Belastung des Patienten während der The­ rapie herabgesetzt wird.

Mit der vorbeschriebenen Konfiguration ist das her­ kömmliche Bestrahlungssystem wirksam bei der Strahlentherapie für den Kopfbereich. Jedoch stellt sich ein Problem dahingehend, daß die Bestrahlungsge­ nauigkeit bei Körperbereichen wie Unterleibsorganen verringert wird, da diese durch die Körperbewegung wie die Atmung mehr beeinträchtigt werden als der Kopfbereich, und in welchen die Position und die Richtung des Bestrahlungsziels kontinuierlich schwan­ ken.

Dieses Problem wird näher beschrieben. Bei der bei einem Tumor, der in einem Rumpfbereich wie einem Un­ terleibsorgan auftritt, angewendeten Strahlentherapie bewegen sich, da die Wirkung der Körperbewegung wie die Atmung größer als in dem Kopfbereich ist, die Po­ sition und die Richtung des Zieltumors während der Bestrahlung weiter. Somit werden die Veränderungen der Position und Richtung des bestrahlten Ziels auf­ grund von Änderungen der Haltung des Patienten größer als solche, die bei der Planung der Strahlentherapie erwartet werden. Unterschiedlich zum Kopfbereich hat zusätzlich der Rumpfbereich gewöhnlich keine Knochen, die zum Befestigen eines Rahmens nahe des Zieltumors verwendbar sind, wodurch es für den Rahmen schwierig wird, an der Körperoberfläche befestigt zu werden.

Als eine Folge ist es schwierig, die relative Positi­ on und Richtung zwischen dem zu bestrahlenden Ziel und einer Spannvorrichtung wie einem Rahmen zum Mes­ sen der Position der Körperoberfläche unveränderbar zu machen.

Zum Planen einer Strahlenbehandlung ist es üblicher, einen Satz von Bilddaten des Bestrahlungsbereichs einschließlich des Bestrahlungsziels zu verwenden, der vor der Planung erhalten wurde, als einen Satz von Bilddaten zu verwenden, die unmittelbar vor der Bestrahlung aufgenommen wurden.

Somit kann sich während der Planung der Strahlenthe­ rapie die Haltung des Patienten verändern, und somit die Position und Richtung des Bestrahlungsziels. Als eine Folge ist die Bestrahlungsgenauigkeit fehlerhaft zwischen der Planung der Strahlentherapie und der tatsächlichen Bestrahlung.

Unter Berücksichtigung der Risikorate bei der Erzeu­ gung eines Fehlers der Bestrahlungsgenauigkeit wird die tatsächliche Bestrahlung durchgeführt unter der Annahme eines Spielraums um den Bereich enthaltend den Zieltumor herum. Dieses stellt ein anderes Pro­ blem dar bei der Bewirkung einer übermäßigen Strah­ lenbelastung des gesunden Gewebes, das den Zieltumor umgibt.

Wie vor beschrieben ist, muß unter Berücksichtigung der größeren Fehlermöglichkeit bei der Bestrahlungs­ genauigkeit des Rumpfbereichs als bei der des Kopfbe­ reichs der Bestrahlungsspielraum des Rumpfbereichs größer eingestellt werden als der des Kopfbereichs. Daher ist die Strahlenbelastung des das Bestrahlungs­ ziel umgebenden gesunden Gewebes im Rumpfbereich grö­ ßer als im Kopfbereich.

Das in der vorgenannten US-A-5 558 430 offenbarte herkömmliche Bestrahlungssystem verwendet das Mund­ stück 55, an welchem die Beißplatte 54 befestigt ist, so daß es nicht erforderlich ist, einen Rahmen an dem Kopf 51 des Patienten während der Periode von der Bildgewinnung des Satzes von Bilddaten des Bestrah­ lungsbereichs einschließlich des Ziels bis zur tat­ sächlichen Bestrahlung zu befestigen. Da jedoch der Kopfring 53, eine Art von Rahmen, an dem Kopf 51 des Patienten befestigt ist und das Mundstück 55 in den Mund eingeführt ist, ist es unvermeidbar, daß der Pa­ tient ein gewisses Gefühl der Beengtheit und des Druckes hat.

Die vorliegende Erfindung dient zur Lösung des vorge­ nannten Problems. Es ist daher die Aufgabe der vor­ liegenden Erfindung, ein Bestrahlungssystem und ein Bestrahlungsziel Bewegungs-Überwachungsverfahren für dieses sowie ein Bestrahlungszielpositions- Erkennungsverfahren anzugeben, welche in der Lage sind, die auf den Patienten ausgeübte Belastung her­ abzusetzen und eine genaue Strahlentherapie nicht nur im Kopfbereich, sondern auch im Rumpfbereich durchzu­ führen ohne Verwendung irgend eines Positionierungs­ rahmens für das Bestrahlungsziel.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Bestrahlungssystem vorgesehen, welches auf­ weist: eine Bestrahlungsziel-Positionierungsvorrich­ tung zum Positionieren eines Gegenstandes mit einem der Bestrahlung zu unterziehenden Bestrahlungsziel; eine Bestrahlungsziel-Abbildungsvorrichtung zur Auf­ nahme von Bildern eines Bestrahlungszielbereichs, der das Bestrahlungsziel enthält eine Bestrahlungsvor­ richtung zur Steuerung von Strahlung in den Bestrah­ lungszielbereich gemäß vorgeschriebenen Bestrahlungs­ bedingungen; eine Positions- und Richtungsmeßvorrich­ tung zum Messen von Positionen und Richtungen der Be­ strahlungsziel-Positionierungsvorrichtung, der Be­ strahlungsziel-Abbildungsvorrichtung und der Bestrah­ lungsvorrichtung, und zum Berechnung relativer Posi­ tionen und Richtungen zwischen diesen; eine Bestrah­ lungsbedingungs-Korrekturvorrichtung zum Erhalten der Position und Richtung des Bestrahlungszielbereichs in den Bildern unter Verwendung der Berechnungsergebnis­ se der Positions- und Richtungsmeßvorrichtung und von Vergleichsergebnissen, die durch Vergleich der Be­ strahlungszielbereiche in den Bildern, die aufeinan­ derfolgend auf der Bestrahlungsziel-Abbildungsvor­ richtung erhalten wurden, und zum Korrigieren der Be­ strahlungsbedingungen, in welchen die erhaltene Posi­ tion und Richtung reflektiert sind; und eine Steuer­ vorrichtung zum Steuern der Strahlung zu dem Bestrah­ lungszielbereich in Abhängigkeit von den Bestrah­ lungsbedingungen, die als ein Ergebnis der Korrektur durch die Bestrahlungsbedingungs-Korrekturvorrichtung erhalten wurden.

Hier kann die Positions- und Richtungsmeßvorrichtung Positionen und Richtungen der Bestrahlungsziel- Positionsvorrichtung messen der Bestrahlungsziel- Abbildungsvorrichtung und der Bestrahlungsvorrichtung in einem 3D-Koordinatensystem messen.

Die Bestrahlungsziel-Abbildungsvorrichtung kann meh­ rere Abbildungsvorrichtungen von unterschiedlicher Modalität aufweisen, und die Bestrahlungsbedingungs- Korrekturvorrichtung kann die Position und die Rich­ tung des Bestrahlungszielbereichs in den Bildern er­ halten unter Verwendung der Berechnungsergebnisse, die durch die Positions- und Richtungsmeßvorrichtung erhalten wurden, und von Vergleichsergebnissen, die durch Vergleich des Bestrahlungszielbereichs in den Bildern, die von der Abbildungsvorrichtung derselben Modalität aus den aufeinanderfolgend von den mehreren Abbildungsvorrichtungen unterschiedlicher Modalität aufgenommen worden, erhalten wurden.

Die Bestrahlungsziel-Abbildungsvorrichtung kann auf­ weisen: eine Hochauflösungs-Abbildungsvorrichtung zur Aufnahme von Hochauflösungs-3D-Bildern des Bestrah­ lungszielbereichs, welche verwendet werden zum Ein­ stellen der Bestrahlungsbedingung; und eine Echtzeit- Abbildungsvorrichtung zur Aufnahme von Hochauflö­ sungs-3D-Bildern des Bestrahlungszielbereichs vor und während der Bestrahlung, wobei die Bestrahlungsbedin­ gungs-Korrekturvorrichtung die Position und die Rich­ tung der Bestrahlungszielbereiche der Bilder erhalten kann unter Verwendung der Berechnungsergebnisse, die durch die Positions- und Richtungsmeßvorrichtung er­ halten wurden, der Vergleichsergebnisse, die durch Vergleich der lBestrahlungszielbereiche der Bilder, die von der Hochauflösungs-Abbildungsvorrichtung er­ halten wurden, und der Vergleichsergebnisse, die durch Vergleich der Bestrahlungszielbereiche in den Bildern erhalten wurden, die von der Echtzeit- Abbildungsvorrichtung aufgenommen wurden, und die Be­ strahlungsbedingung korrigieren kann unter Verwendung der Bilder, welche durch die Hochauflösungs- Abbildungsvorrichtung und durch die Echtzeit- Abbildüngsvorrichtung gewonnen wurden, und in welchen die erhaltenen Positionen und Richtungen reflektiert werden.

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Bestrahlungszielbewegungs-Überwachungsver­ fahren vorgesehen bei einem Bestrahlungssystem ent­ haltend eine Bestrahlungsziel-Positionierungsvorrich­ tung zur Positionierung eines Gegenstands mit einem Bestrahlungsziel, das der Bestrahlung zu unterziehen ist, eine Bestrahlungsziel-Abbildungsvorrichtung zur Aufnahme von Bildern von einem Bestrahlungszielbe­ reich, der das Bestrahlungsziel enthält, und eine Be­ strahlungsvorrichtung zur Steuerung der Strahlung zu dem Bestrahlungszielbereich entsprechend vorgeschrie­ benen Bestrahlungsbedingungen, welches Bestrahlungs­ zielbewegungs-Überwachungsverfahren aufweist: einen Bilderwerbsschritt zur aufeinanderfolgenden Aufnahme von Bildern des Bestrahlungszielbereichs durch die Bestrahlungsziel-Abbildungsvorrichtung; einen Positi­ ons- und Richtungsmeßschritt zum Messen von Positio­ nen und Richtungen der Bestrahlungsziel-Positionie­ rungsvorrichtung, der Bestrahlungsziel-Abbildungsvor­ richtung und der Bestrahlungsvorrichtung, und zum Be­ rechnen relativer Positionen und Richtungen zwischen diesen; und einen Bestrahlungsziel-Überwachungs­ schritt zum Erhalten von Positionen und Richtungen der Bestrahlungszielbereiche in den Bildern unter Verwendung von Berechnungsergebnissen, die durch die Positions- und Richtungsmeßvorrichtung erhalten wur­ den, sowie von Vergleichsergebnissen, die durch Ver­ gleich der Bestrahlungszielbereiche in den Bildern, die in dem Bilderwerbsschritt aufeinanderfolgend auf­ genommen wurden, erhalten wurden.

Hier kann der Bestrahlungsziel-Überwachungsschritt die Positionen und Richtungen der Bestrahlungszielbe­ reiche in den Bildern erhalten unter Verwendung von Berechnungsergebnissen, die in dem Positions- und Richtungsmeßschritt erhalten wurden, und von Ver­ gleichsergebnissen, die durch Vergleich der Bestrah­ lungszielbereiche in den Bildern erhalten wurden, die aufeinanderfolgend durch die Bestrahlungsziel- Abbildungsvorrichtung derselben Modalität aufgenommen wurden.

Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Bestrahlungszielpositions-Erkennungsverfahren für ein Bestrahlungssystem vorgesehen, enthaltend ei­ ne Bestrahlungsziel-Positionierungsvorrichtung zum Positionieren eines Gegenstands mit einer Bestrahlung zu unterziehenden Bestrahlungsziel, eine Bestrah­ lungsziel-Abbildungsvorrichtung zur Aufnahme von Bil­ dern eines Bestrahlungszielbereichs enthaltend das Bestrahlungsziel, und eine Bestrahlungsvorrichtung zum Steuern der Bestrahlung zu dem Bestrahlungsziel­ bereich gemäß vorgeschriebenen Bestrahlungsbedingun­ gen, welches Bestrahlungszielbewegungs-Überwachungs­ verfahren aufweist: einen Bilderwerbsschritt zum auf­ einanderfolgenden Aufnehmen von Bildern des Bestrah­ lungszielbereichs durch die Bestrahlungsziel-Abbil­ dungsvorrichtung; einen Positions- und Richtungsmeß­ schritt zum Messen von Positionen und Richtungen der Bestrahlungsziel-Positionierungsvorrichtung, der Be­ strahlungsziel-Abbildungsvorrichtung und der Bestrah­ lungsvorrichtung, und zum Berechnen relativer Posi­ tionen und Richtungen zwischen diesen; und einen Zielpositions-Erkennungsschritt zum Erhalten von Po­ sitionen und Richtungen der Bestrahlungszielbereiche in den Bildern unter Verwendung von Berechnungsergeb­ nissen, die durch die Positions- und Richtungsmeßvor­ richtung erhalten wurden und von Vergleichsergebnis­ sen, die durch Vergleich der Bestrahlungszielbereiche in den Bildern erhalten wurden, die in dem Bilderwer­ bungsschritt aufeinanderfolgend aufgenommen wurden, und zum Berechnen der Bestrahlungsbedingungen durch Reflektieren der Positionen und Richtungen in den Bildern.

Der Zielpositions-Erkennungsschritt kann die Positio­ nen unt Richtungen der Bestrahlungszielbereich in den Bildern erhalten durch Verwendung von Berechnungser­ gebnissen, die in dem Positions- und Richtungsmeß­ schritt erhalten wurden, und von Vergleichsergebnis­ sen, die durch Vergleich der Bestrahlungszielbereiche in den Bildern erhalten wurden, welche aufeinander­ folgend von der Bestrahlungsziel-Abbildungsvorrich­ tung derselben Modalität aufgenommen wurden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Konfiguration eines Ausführungsbeispiels des Bestrahlungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 ein Diagramm, das die Verarbeitung eines Satzes von Bilddaten illustriert, die durch Abbildungsvorrichtungen des Bestrahlungssy­ stems nach dem Ausführungsbeispiel gewonnen wurden,

Fig. 3 ein Flußdiagramm, das die Arbeitsweise des Bestrahlungssystems nach dem Ausführungs­ beispiel illustriert,

Fig. 4 ein Flußdiagramm, das die Arbeitsweise nachfolgend der von Fig. 3 bei dem Bestrah­ lungssystem nach dem Ausführungsbeispiel illustriert, und

Fig. 5 ein Diagramm, das einen Überblick über die Positionserkennung eines Bestrahlungsziels bei einem herkömmlichen Bestrahlungssystem gibt.

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild, das die Konfiguration eines Ausführungsbeispiels des Bestrahlungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. In dieser Fi­ gur bezeichnet die Bezugszahl 1 einen Behandlungs­ tisch, auf welchem ein Patient 2 liegt und an welchem ein 3D-Positions- und Richtungssensor S1 befestigt ist für die Erfassung seiner Position und Richtungen zu anderen Komponenten. Der Behandlungstisch 1 ent­ hält eine in dieser Figur nicht gezeigte Antriebsvor­ richtung zur Veränderung seiner Position und Richtung in Abhängigkeit von einer Steuervorrichtung 8 zuge­ führten Steuerdaten C1. Die Bezugszahl 2 bezeichnet einen Gegenstand zur Abbildung mit einem Bestrah­ lungsziel. In dem Beispiel von Fig. 1 ist dies ein Patient mit einem Tumor als Bestrahlungsziel. Bei der vorliegenden Erfindung ist der Gegenstand zur Abbil­ dung mit dem Bestrahlungsziel nicht begrenzt auf ei­ nen Menschen wie einen Patienten.

Die Bezugszahl 3 bezeichnet eine Echtzeit-Abbildungs­ vorrichtung wie einen Echographen (Bestrahlungsziel- Abbildungsvorrichtung) zur Gewinnung von 3D-Bildern eines Bestrahlungszielbereichs mit einer hohen Auflö­ sung, welcheeinen Satz von Bilddaten bestehend aus Bildern zu jeweiligen Abbildungszeiten aufnimmt. Die Echtzeit-Abbildungsvorrichtung 3 korrigiert die Ab­ bildungsbedingungen des Bestrahlungszielbereichs in Abhängigkeit von den Steuerdaten C2, die von der Steuervorrichtung 8 zugeführt werden, derart, daß sie Bilder mit der höchsten Auflösung in der Bestrah­ lungsbedingung aufnehmen kann nach der Veränderung der Abbildungsbedingung für die Bilder. Die Bezugs­ zahl 4 bezeichnet eine Hochauflösungs-Abbildungs­ vorrichtung-(Bestrahlungsziel-Abbildungsvorrichtung) wie ein Röntgen-CT (Computerisiertes Röntgenstrahlen- Tomographiesystem) und eine MRI (Magnetresonanz- Abbildungsvorrichtung) zur Aufnahme der 3D-Bilder des Bestrahlungszielbereichs mit einer hohen Auflösung. Die Hochauflösungs-Abbildungsvorrichtung 4 nimmt nicht aufeinanderfolgend Bilder des Bestrahlungsziel­ bereichs in Echtzeit auf, sondern erwirbt ein Hoch­ auflösungstomo gramm enthaltend den Bestrahlungsziel­ bereich, das zur Planung der Strahlenbehandlung (Be­ strahlungsbedingung) verwendet wird. Die Hochauflö­ sungs-Abbildungsvorrichtung 4 korrigiert die Abbil­ dungsbedingung des Bestrahlungszielbereichs in Abhän­ gigkeit von der Steuervorrichtung 8 zugeführten Steu­ erdaten C3 in der Weise, daß sie die Bilder mit der höchsten Auflösung bei der Bestrahlungsbedingung nach Veränderung de Abbildungsbedingung aufnehmen kann.

Die Bezugszahl 5 bezeichnet eine Bestrahlungsvorrich­ tung zur Steuerung der Strahlung zu dem Bestrahlungs­ zielbereich gemäß dem Bestrahlungsplan. Sie strahlt beispielsweise Röntgenstrahlen für den medizinischen Gebrauch aus. Wie der Behandlungstisch 1 sind die Ab­ bildungssonde der Echtzeit-Abbildungsvorrichtung 3, der Abbildungskopf der Hochauflösungs-Abbildungsvor­ richtung 4 und der Bestrahlungskopf der Bestrahlungs­ vorrichtung 5 mit 3D-Positions- und Richtungssensoren S2, S3 bzw. S4 versehen. Diese Sensoren erfassen je­ weils ihre Position und Richtungen mit Bezug auf an­ dere Komponenten. Der Bestrahlungskopf der Bestrah­ lungsvorrichtung 5 hat einen Treiber zum Ändern sei­ ner Position und Richtung in Abhängigkeit von den von der Steuervorrichtung 8 zugeführten Steuerdaten C4.

Die Bezugszahl 6 bezeichnet eine Meßabschnitt für Po­ sition und Richtung (Positions- und Richtungsmeßvor­ richtung) zum Empfang von Erfassungssignalen M1 bis M4, die ihre Positionen und Richtungen anzeigen, von den 3D-Positions- und Richtungssensoren S1 bis S4, welcher an dem Behandlungstisch 1, der Abbildungsson­ de der Echtzeit-Abbildungsvorrichtung 3, dem Abbil­ dungskopf der Hochauflösungs-Abbildungsvorrichtung 4 bzw. dem Bestrahlungskopf der Bestrahlungsvorrichtung 5 befestigt sind, und zum Berechnen der relativen Po­ sitionen und Richtungen zwischen ihnen anhand der Er­ fassungssignale M1 bis M4. Die Bezugszahl 7 bezeich­ net einen Datenprozessor (Bestrahlungsbedingungs- Korrekturvorrichtung) zum Erhalten der Position und Richtung des Bestrahlungszielbereichs in dem Arbeits­ raum für Messung in den von der Echtzeit-Abbildungs­ vorrichtung 3 oder von der Hochauflösungs-Abbildungs­ vorrichtung 4 aufgenommenen Bildern anhand der Be­ rechnungsergebnisse durch den Meßabschnitt für Posi­ tion und Richtung 6 und anhand der von der Echtzeit- Abbildungsvorrichtung 3 und der Hochauflösungs- Abbildungsvorrichtung 4 aufgenommenen Bilder und zum Erzeugen von Korrekturdaten durch Reflektion der Po­ sitionen und Richtungen in dem Bestrahlungsplan. Die Bezugszahl 8 bezeichnet eine Steuervorrichtung zur Zuführung der Steuerdaten C1 bis C4 zu dem Behand­ lungstisch 1, der Echtzeit-Abbildüngsvorrichtung 3, der Hochauflösungs-Abbildungsvorrichtung 4 und der Bestrahlungsvorrichtung 5, um den Bestrahlungsplan gemäß den von dem Datenprozessor 7 zugeführten Kor­ rekturdaten zu korrigieren. Die Bezugssymbole S1 bis S4 bezeichnen die 3D-Positions- und Richtungssensoren (Positions- und Richtüngsmeßvorrichtung),.die an dem Behandlungstisch 1, der Abbildungssonde der Echtzeit- Abbildungsvorrichtung 3, dem Abbildungskopf der Hoch­ auflösungs-Abbildungsvorrichtung 4 und dem Bestrah­ lungskopf der Bestrahlungsvorrichtung 5 installiert sind. Diese können Infrarotstrahlen, Ultraschall oder Magnetfelder verwendende Sensoren sein.

Das Bestrahlungssystem nach dem vorliegenden Ausfüh­ rungsbeispiel definiert die Positionen und Richtungen seiner Komponenten in einem orthogonalen 3D-Koordina­ tensystem in dem Arbeitsraum für Messung, welches Ko­ ordinatensystem das Bestrahlungssystem enthält und seinen Ursprung auf dem Behandlungstisch 1 hat. Es wird angenommen, daß alle Folgeoperationen in dem Ar­ beitsraum für Messung durchgeführt werden: die Be­ strahlung des Bestrahlurigszielbereichs durch die Be­ strahlungsvorrichtung 5; die Gewinnung des Satzes von Bilddaten des Abbildungszielbereichs durch die Echt­ zeit-Abbildungsvorrichtung 3 oder durch die Hochauf­ lösungs-Abbildungsvorrichtung 4; die Überlagerung und der Vergleich der Bilddaten des Satzes von Bilddaten; das Herausziehen der Beziehungen zwischen dem Satz von Bilddaten und der von der Bestrahlungsvorrichtung 5 ausgegebenen Strahlung, und die Operation des Re­ flektieren der Beziehungen zueinander; die Überwa­ chung der Bewegung des Bestrahlungsziels; und die Er­ kennung der Position und Richtung des Bestrahlungs­ ziels.

Fig. 2 ist ein Diagramm, das die Verarbeitung des Satzes von Bilddaten, die durch die Abbildungsvor­ richtungen des Bestrahlungssystems nach der vorlie­ genden Erfindung gewonnen wurden, illustriert. In dieser Figur bezeichnen die Bezugssymbole H0 und H1 jeweils ein Bild enthaltend den Bestrahlungszielbe­ reich, der von der Hochauflösungs-Abbildungsvorrich­ tung 4 aufgenommen wurde; und R0-Rn bezeichnen je­ weils ein Bild enthaltend den Bestrahlungszielbe­ reich, das von der Echtzeit-Abbildungsvorrichtung 3 aufgenommen wurde. Die vorliegende Erfindung bestimmt die Position und Richtung des Bestrahlungszielbe­ reichs durch Verfolgen und Überwachen der Bewegung des Bestrahlungsziels und unter Verwendung der den Bestrahlungszielbereich enthaltenden Bilder, die von den Abbildungsvorrichtungen 3 und 4 aufgenommen wur­ den, anstelle der Verfolgung der Bewegung des Patien­ ten 2 oder seiner oder ihrer Körperoberfläche wie beim herkömmlichen System. Zusätzlich wird, obgleich die Überlagerung des Satzes von Bilddaten in dem Ar­ beitsraum für Messung aufeinanderfolgend entlang der Verarbeitungsprozedur durchgeführt wird, der Ver­ gleich zwischen dem Satz von Bilddaten des Bestrah­ lungszielbereichs nur zwischen den Bildern, die von der Abbildungsvorrichtung der selben Modalität aufge­ nommen wurden, durchgeführt.

Genauer gesagt, die Abbildung mit unterschiedlichen Modalitäten, welche unterschiedliche physikalische Parameter mit sich bringt, ergibt unterschiedliche Grenzen für den selben Bereich, der aus den Bilddaten herausgezogen wurde, wodurch eine Nichtübereinstim­ mung der Grenzen bewirkt wird, wenn die Bereiche der Bilddaten zwischen den Sätzen von Bilddaten, die durch Aufnahme des selben Bereichs mit den unter­ schiedlichen Modalitäten erhalten wurden, verglichen werden. Angesichts dieses Umstandes vergleicht das Bestrahlungssystem nach der vorliegenden Erfindung nur die Bilddaten, welche bei derselben Modalität aufgenommen wurden. Demgemäß ist es nicht erforder­ lich, die Übereinstimmung der herausgezogenen Grenzen des Bereichs zwischen den unterschiedlichen Modalitä­ ten zu berücksichtigen.

Als nächstes wird die Arbeitsweise nach der vorlie­ genden Erfindung beschrieben.

Die Fig. 3 und 4 sind Flußdiagramme, die die Ar­ beitsweise des Bestrahlungssystems nach der vorlie­ genden Erfindung illustrieren, und unter Bezugnahme auf diese wird dessen Arbeitsweise beschrieben.

Zuerst nimmt vor der tatsächlichen Bestrahlung die Hochauflösungs-Abbildungsvorrichtung 4 einen Bereich (Bestrahlungszielbereich) enthaltend einen Tumor, d. h. das Bestrahlungsziel, auf, um die Bestrahlungs­ behandlung zu planen. Genauer gesagt, es werden, wenn der Patient zwei auf dem Behandlungstisch 1 liegt, einfache Markierungen des Kopfes und der Füße des Pa­ tienten 2 auf dem Behandlungstisch 1 aufgebracht. Dann wird der umgebende Bereich enthaltend eine Tumor des liegenden Patienten 2 durch die Hochauflösungs- Abbildungsvorrichtung 4 aufgenommen, um einen Satz von 3D-Bilddaten zu gewinnen, welcher als Hochauflö­ sungsbild H0 bezeichnet wird (Schritt ST1, Bildgewin­ nungsschritt).

Im Verlauf der Bildgewinnung erlangt der 3D- Positions- uncl Richtungssensor S3 die Position und den Gradienten des Abbildungskopfes der Hochäuflö­ sungs-Abbildungsvorrichtung 4 als das Erfassungs­ signal M3, und der 3D-Positions- und Richtungssensor S1 erhält die Position und den Gradienten des Behand­ lungstisches 1 als das Erfassungssignal M1 (Schritt STla).

Diese Erfassungssignale M1 und M3 werden von den 3D- Positions- und Richtungssensoren S1 und S3 zu dem Meßabschnitt für Position und Richtung 6 geliefert, so daß dieser die relative Position und Richtung des Abbildungskopfes der Hochauflösungs-Abbildungsvor­ richtung 4 mit Bezug auf den Behandlungstisch 1 an­ hand der Erfassungssignale M1 und M3 betechnet (Schritt ST2, Positions- und Richtungsmeßschritt).

Die Arbeitsweise wird im einzelnen beschrieben. All­ gemein gesagt, wenn die Position und Richtung des Ab­ bildungskopfes der Hochauflösungs-Abbildungsvorrich­ tung 4 spezifiziert sind, können die Position und Richtung des Gegenstandes der Abbildung in dem Bild, das von der Hochauflösungs-Abbildungsvorrichtung 4 aufgenommen ist, bestimmt werden (d. h. die relative Position und der Gradient zwischen dem Abbildungskopf der Hochauflösungs-Abbildungsvörrichtung 4 und dem Gegenstand der Abbildung in dem Bild ist üblicherwei­ se bekannt).

Somit kann der Meßabschnitt für Position und Richtung 6 unter Verwendung der bekannten relativen Position und des Gradienten anhand der Erfassungssignale M1 und M3 die Position und Richtung des Bestrahlungs­ zielbereichs in dent Hochauflösungsbild H0 in dem 3D- Koordinatensystem in dem Arbeitsraum für Messung mit dem Ursprung an einem Punkt des Behandlungstisches 1 berechnen.

Nachfolgend wird vor der tatsächlichen Bestrahlung die Strahlenbehandlung gemäß dem von der Hochauflö­ sungs-Abbildungsvorrichtung 4 aufgenommenen Hochauf­ lösungsbild H0 geplant.

Zuerst zieht der Datenprozessor 7 den Bestrahlungs­ zielbereich aus dem Hochauflösungsbild H₀ heraus (Schritt ST3, Positions- und Richtungsmeßschritt). Die folgenden Verfahren können als das Extraktions­ verfahren angewendet werden: ein erstes Verfahren be­ ruht auf der Helligkeit von Bildpunkten, welche das Hochauflösungsbild H0 bilden, und des Gradienten der Helligkeit; und ein zweites Verfahren beruht auf Y. Sato, et al. "Tissue Classification Based on 3D Local Intensity Structure for Volume Rendering", offenbart in IEEE Transactions an Visualization and Computer Graphics, Band 6, Nr. 2, Seiten 160-180, 2000, was auf der Verteilung von Parametern wie der Helligkeit der Bildpunkte, die das Hochauflösungsbild H0 bilden, und des Gradienten der Helligkeit basiert.

Hinsichtlich des wie vorstehend beschrieben, heraus­ gezogenen Bestrahlungszielbereichs werden dessen Po­ sition und Richtung in dem Arbeitsraum für Messung durch den Datenprozessor 7 berechnet.

Auf der Grundlage des im Schritt ST3 herausgezogenen Bestrahlungszielbereichs betrachtet und bestimmt ein Arzt die Richtungen der Strahlen zu dem Bereich ent­ haltend den Bestrahlungszieltumor, den Durchmesser der Strahlen, die Strahlungsdosis, die Strahlungszeit und die Anzahl der Bestrahlungen, wodurch die Strah­ lenbehandlung geplant wird (Schritt ST4). Da die Strahlenbehandlung auf der Grundlage des Hochauflö­ sungsbildes H0 geplant wird, wird der Inhalt des Plans in dem Hochauflösungsbild H0 reflektiert.

Nach dem Bestrahlungsplan und vor der tatsächlichen Bestrahlung wird der Patient 2 auf den Behandlungs­ tisch 1 gelegt, wobei sein oder ihr Kopf und Füße mit den im Schritt ST1 aufgebrachten Markierungen ausge­ richtet werden. Dann werden der Zieltumor und sein umgebender Bereich wieder von der Hochauflösungs- Abbildungsvorrichtung 4 aufgenommen (Schritt ST5, Bilderwerbsschritt). Der Satz der 3D-Bilddaten wird als Hochauflösungsbild H1 bezeichnet.

Im Verlaufe hiervon wird die Abbildungssonde der Echtzeit-Abbildungsvorrichtung 3 auf einer Körper­ oberfläche nahe des Zieltumorbereichs des Patienten 2 getragen, so daß die Echtzeit-Abbildungsvorrichtung 3 den Zieltumor und seinen umgebenden Bereich enthal­ tend den Tumor aufnimmt (Schritt ST5a, Bilderwerbs­ schritt). Der in diesem Fall erhaltene Satz von 3D- Bilddaten wird als Echtzeitbild R0 bezeichnet. Es wird angenommen, daß das Echtzeitbild R0 zum Zeit­ punkt T0 aufgenommen wurde.

Weiterhin erfaßt der 3D-Positions- und Richtungssen­ sor S2 die Position und den Gradienten der Abbil­ dungssonde der Echtzeit-Abbildungsvorrichtung 3 als das Erfassungssignal M2, der 3D-Positions- und Rich­ tungssensor S3 erfaßt die Position und den Gradienten des Abbildungskopfes der Hochauflösungs-Abbildungs­ vorrichtung 4 als das Erfassungssignal M3, und der 3D-Positions- und Richtungssensor S1 erfaßt die Posi­ tion und den Gradienten des Behandlungstisches 1 als das Erfassungssignal M1 (Schritt ST5b, Positions- und Richtungsmeßschritt).

Diese Erfassungssignale M1, M2 und M3 werden von den 3D-Positions- und Richtungssensoren S1, S2 und S3 zu dem Meßabschnitt für Position und Richtung 6 gelie­ fert, welcher die relative Position und Richtung der Abbildungssonde der Echtzeit-Abbildungsvorrichtung 3 und die des Abbildungskopfes der Hochauflösungs- Abbildungsvorrichtung 4 mit Bezug auf den Behand­ lungstisch 1 in Abhängigkeit von den Erfassungssigna­ len M1, M2 und M3 berechnet (Schritt ST6, Positions- und Richtungsmeßschritt).

Die Arbeitsweise wird detaillierter beschrieben. All­ gemein gesprochen, wenn die Position und Richtung der Abbildungssonde der Echtzeit-Abbildungsvorrichtung 3 spezifiziert sind, können die Position und Richtung des Gegenstands der Abbildung in dem von der Echt­ zeit-Abbildungsvorrichtung 3 aufgenommenen Bild be­ stimmt werden (d. h. die relative Position und der Gradient zwischen der Abbildungssonde der Echtzeit- Abbildungsvorrichtung 3 und dem Gegenstand der Abbil­ dung in dem Bild ist üblicherweise bekannt).

Somit kann unter Verwendung der bekannten relativen Position und des Gradienten anhand der Erfassungs­ signale M1, M2 und M3 der Meßabschnitt für Position und Richtung 6 die Position und Richtung des Bestrah­ lungszielbereichs in dem Hochauflösungsbild H2 in dem 3D-Koordinatensystem in dem Arbeitsraum für Messung mit dem Ursprung an einem Punkt auf dem Behandlungs­ tisch 1 berechnen.

Nachfolgend wird auf der Grundlage der Berechnungser­ gebnisse in den Schritten ST2 und ST6 das Hochauflö­ sungsbild H0 dem Hochauflösungsbild H1 in dem Ar­ beitsraum für Messung überlagert. In diesem Fall stimmt der Satz von Bilddaten des Hochauflösungsbil­ des H1 üblicherweise nicht mit dem Hochauflösungsbild H0 überein, sondern weist eine Versetzung gegenüber diesem auf infolge von Haltungsänderungen des Patien­ ten 2 zwischen den beiden Abbildungszeiten. Somit vergleicht der Datenprozessor 7 die Bestrahlungsziel­ bereiche der Bilddaten in den beiden Sätzen von Bild­ daten.

Als Vergleichsverfahren sind die folgenden Verfahren anwendbar. Zuerst wird der aus dem Hochauflösungsbild H1 herausgezogene Bestrahlungszielbereich mit dem aus dem Hochauflösungsbild H0 herausgezogenen Bestrah­ lungszielbereich wie im vorhergehenden Schritt ST3 verglichen; und zweitens werden Bilddaten so vergli­ chen, daß die gegenseitigen Informationen ein Maximum zwischen den Sätzen von Bilddaten werden, wie in F. Maes, et al., "Comparative Evaluation of Multiresolu­ tion Optimization Strätegies For Multimodality Image Registration by Maximization of Mutual Information", Medical Image Analysis, Band 3, Nr. 4, Seiten 373-­ 386, 1999, offenbart ist.

Als ein Ergebnis des Vergleichs berechnet der Daten­ prozessor 7 die Anpassung zwischen den beiden Sätzen von Bilddaten und erhält eine Transformationsfunkti­ on, welche die Änderungen der Bestrahlungsbedingung von dem Bestrahlungsplan im Schritt ST4 enthält. Die vorstehende Operation entspricht Schritt ST7. Da die Sätze von Bilddaten die Hochauflösungsbilder sind, die durch die Hochauflösungs-Abbildungsvorrichtung 4 erhalten wurden, ist es möglich, ein hochgenaues Ver­ arbeitungsergebnis zu erwarten.

Nachfolgend führt gemäß der im Schritt ST7 erhaltenen Transformationsfunktion die Steuervorrichtung 8 die Koordinatentransformation des Bestrahlungszielbe­ reichs, Bestrahlungserwartungsbereichs und der Be­ strahlungsrichtung in dem vorhergehenden Bestrah­ lungsplan durch oder macht eine Korrektur der Be­ strahlungsdosis, wobei der Inhalt des Bestrahlungs­ plans in dem Hochauflösungsbild H1 reflektiert wird (Schritt ST8) Genauer gesagt, nach Empfang der von dem Datenprozessor 7 erhaltenen Trarisformationsfunk­ tion liefert die Steuervorrichtung 8 die Steuersigna­ le zu den Komponenten des Systems, so daß der Korrek­ tur entsprechend der Transformationsfunktion genügt wird. Somit wird der Bestrahlungsplan an die tatsäch­ liche Situation angepaßt.

Nachfolgend überlagert gemäß der relativen Position und Richtung der Abbildungssonde der Echtzeit- Abbildungsvorrichtung 3 und denen des Abbildungskop­ fes der Hochauflösungs-Abbildungsvorrichtung 4 mit Bezug auf den Behandlungstisch 1, welche im Schritt ST6 berechnet wurden, der Datenprozessor 7 das Hoch­ auflösungsbild H1, in welchem der Bestrahlungsplan reflektiert ist, über das Echtzeitbild R0 in dem Ar­ beitsraum für Messung (Schritt ST9). Somit ist der neue Bestrahlungsplan in dem Echtzeitbild R0 reflek­ tiert.

Obgleich das Echtzeitbild R0 und das Hochauflösungs­ bild H1 unter unterschiedlichen Modalitäten aufgenom­ men wurden, können sie hier, da sie nahezu zur selben Zeiterhalten wurden, in dem Arbeitsraum für Messung überlagert werden auf der Grundlage der Meßergebnisse der Position und Richtung durch die individuellen Komponenten des Systems ohne Berücksichtigung der Gleichheit der Bestrahlungszielgrenzen der aus den Bildern herausgezogenen Bereiche. In diesem Fall neh­ men hinsichtlich der Bestrahlungszielbereiche, die in dem Echtzeitbild R0 und dem Hochauflösungsbild H1 er­ faßt wurden, die Bildpunkte der Bestrahlungszielbe­ reiche an den selben Koordinaten in dem Arbeitsraum für Messung die selbe Position in den Bestrahlungs­ zielbereichen, die in den jeweiligen Bildern erfaßt wurden, ein.

Die Operation im Schritt ST8 ermöglicht es, daß die Informationen über die Bestrahlungsbedingungen, wel­ che mit dem Bestrahlungszielbereich in dem Hochauflö­ sungsbild H0 assoziiert und durch den Arzt herausge­ zogen und spezifisch bestimmt sind, in dem Hochauflö­ sungsbild H1 reflektiert werden, so daß die Bildpunk­ te des Echtzeitbildes R0 entsprechend den Bildpunkten des Bestrahlungszielbereichs in dem Hochauflösungs­ bild H1 durch die Operation des vorhergehenden Schrittes ST9 zum Bestrahlungszielbereich gemacht werden. Mit anderen Worten, der Inhalt des Bestrah­ lungsplans wird in dem Echtzeitbild R0 durch das Hochauflösungsbild H0 und das Hochauflösungsbild H1 reflektiert.

Nach der Korrektur des Bestrahlungsplans wie vorste­ hend beschrieben, wird die Strahlenbehandlung begon­ nen, während der Patient 2 auf dem Behandlungstisch 1 liegt.

Im Verlauf vom diesem fährt die Echtzeit-Abbildungs­ vorrichtung 3 fort, den Zieltumor und seinen umgeben­ den Bereich, welche in dem Echtzeitbild R0 erfaßt sind, aufzunehmen (Schritt ST10, Bilderwerbsschritt). Hier wird der Satz von Bilddaten desselben Bereichs, der von der Echtzeit-Abbildungsvorrichtung 3 zur Zeit Tn, wobei n = 1, 2, 3, . . ., ist, in Echtzeit während der Bestrahlung aufgenommen wird, als Echtzeitbild Rn bezeichnet.

Zur selben Zeit erfaßt der 3D-Positions- und Rich­ tungssensor S2 die Position und den Gradienten der Abbildungssonde der Echtzeit-Abbildungsvorrichtung 3 als das Erfassungssignal M2, der 3D-Positions- und Richtungssensor S4 die Position und -den Gradienten des Bestrahlungskopfes der Bestrahlungsvorrichtung 5 als das Erfassungssignal M4, und der 3D-Positions- und Richtungssensor S1 die Position und den Gradien­ ten des Behandlungstisches 1 als das Erfassungssigna l M1 (Schritt ST10a, Positions- und Richtungsmeß­ schritt).

Die Erfassungssignale M1, M2 und M4 werden von den 3D-Positions- und Richtungssensoren S1, S2 und S4 zu dem Meßabschnitt für Position und Richtung 6 gelie­ fert, so daß er die relative Position und Richtung der Abbildungssonde der Echtzeit-Abbildungsvorrich­ tung 3 mit Bezug auf den Behandlungstisch 1 und die des Abbildungskopfes der Bestrahlungsvorrichtung 5 mit Bezug auf den Behandlungstisch 1 in Abhängigkeit von den Erfassungssignales M1, M2 und M4 berechnet (Schritt ST11a, Positions- und Richtungsmeßschritt).

Die Arbeitsweise wird genauer beschrieben. Allgemein gesagt, wenn die Position und Richtung des Bestrah­ lungskopfes der Bestrahlungsvorrichtung 5 spezifi­ ziert sind, kann die Richtung des Strahles, der aus dem Bestrahlungskopf austritt und durch den Arbeits­ raum für Messung hindurchgeht, bestimmt werden (d. h. die relative Position und der Gradient zwischen dem Bestrahlungskopf der Bestrahlungsvorrichtung 5 und dem abgestrahlten Strahl ist üblicherweise bekannt).

Somit berechnet unter Verwendung der aus den Erfas­ sungssignalen M1, M2 und M4 bekannten relativen Posi­ tion und dessen Gradienten der Meßabschnitt für Posi­ tion und Richtung 6 die Startposition und die Be­ strahlungsrichtung des Strahls indem Arbeitsraum für Messung in Übereinstimmung mit der Position und Rich­ tung des Echtzeitbildes Rn in dem 3D-Koordinaten­ system in dem Arbeitsraum für Messung mit dem Ur­ sprung an dem Punkt des Behandlungstisches 1.

Nachfolgend vergleicht der Datenprozessor 7 das Echt­ zeitbild R0 mit dem Echtzeitbild Rn. Als das Ver­ gleichsbild der beiden können die vorstehend in Ver­ bindung mit dem vorgenannten Schritt ST7 beschriebe­ nen Verfahren verwendet werden. Entsprechend dem durch Vergleich des Echtzeitbildes R0 mit dem Echt­ zeitbild Rn erhaltenen Ergebnis identifiziert der Da­ tenprozessor 7 den Bereich in dem Echtzeitbild Rn, der dem Bestrahlungszielbereich in dem Echtzeitbild R0 entspricht, zieht den Zieltumor und dessen umge­ benden Bereich aus dem Echtzeitbild Rn heraus und be­ rechnet die Position und Richtung in dem 3D-Koordi­ natensystem in dem Arbeitsraum für Messung (Schritt ST11, Bestrahlungsziel-Überwachurigsschritt).

Somit kann das Bestrahlungssystem nach dem vorliegen­ den Ausführungsbeispiel die folgenden Posten in nicht-operativer Weise und ohne Befestigung eines Rahmens an dem Patienten 2, welcher bei dem herkömm­ lichen System benötigt wird, berechnen: die Positio­ nen und Richtungen der Komponenten des Bestrahlungs­ systems; die Sätze von Bilddaten; die aus den Sätzen von Bilddaten herausgezogenen Bereiche, die als das Bestrahlungsziel angenommen werden; und die Startpo­ sition sowie die Bestrahlungsrichtung des Strahles in dem Arbeitsraum für Messung. Somit können sie in dem 3D-Koordinatensystem in dem Arbeitsraum für Messung überlagert werden, wodurch es möglich wird, die Bewe­ gung des Tumors, des Bestrahlungsziels, selbst wäh­ rend der Strahlenbehandlung zu überwachen.

Die Position und Richtung des Zieltumors und seines umgebenden Bereichs anhand des Echtzeitbildes Rn im Schritt ST11 berechnend, berechnet der Datenprozessor 7 weiterhin die Position und Richtung des Zieltumors gegenüber dem Bestrahlungsstrahl in dem 3D-Kdordina­ tensystem und überwacht die Bewegung des Zieltumors mit Bezug auf den Bestrahlursstrahl.

In diesem Fall führt der Datenprozessor 7 anhand der von ihm berechneten Position und Richtung des Zieltu­ mors eine Entscheidung durch, ob der Zieltumor in dem Bestrahlungsplan erwarteten Bereich vorhanden ist oder nicht, wodurch entschieden wird, ob die Strah­ lung gesteuert wird oder nicht (Schritt ST12, Zielpo­ sitions-Erkennungsschritt).

Wenn der Zieltumor im Schritt ST12 nicht im erwarte­ ten Bereich vorhanden ist, liefert der Datenprozessor 7 Korrektursignale zu der Steuervorrichtung 8 in der Weise, daß der Zieltumor in den erwarteten Bereich kommt, oder kehrt zum Schritt ST11 zurück ohne irgend etwas zu tun, um das Echtzeitbild R0 mit dem Echt­ zeitbild Rn zu vergleichen und wieder den Bestrah­ lungszielbereich herauszuziehen (Schritt ST13). In Abhängigkeit von den von dem Datenprozessor 7 gelie­ ferten Korrektursignalen liefert die Steuervorrich­ tung 8 die Steuersignale zu den Komponenten des Sy­ stems, wodurch die Position und Richtung des Bestrah­ lungskopfes der Bestrahlungsvorrichtung 5 oder die des Behandlungstisches 1 variiert werden.

Somit variiert im Schritt ST13 der Datenprozessor 7 die Position und Richtung des Bestrahlungskopfes oder die des Behandlungstisches 1, oder erwartet, daß der Zieltumor in den erwarteten Bereich kommt.

Wenn der Zieltumor im Schritt ST12 in dem erwarteten Bereich vorhanden ist, berechnet der Datenprozessor 7 die Strahlendosis anhand der Position und Richtung des Zieltumors mit Bezug auf den Bestrahlungsstrahl. Bei Empfang des Berechnungsergebnisses steuert die Steuervorrichtung 8 die Bestrahlungsvorrichtung 5 in der Weise, daß sie die Strahlung zu dem Zieltumor lenkt (Schritt ST14).

Die Gesamtstrahlungsdosis anhand der Strahlungsdosis und Bestrahlungszeit während der Bestrahlung berech­ nend, sendet der Datenprozessor 7 ein Signal, welches das Ende der Strahlung anzeigt, zu der Steuervorrich­ tung 8, wenn die Gesamtstrahlungsdosis eine vorge­ schriebene Menge erreicht. Bei Empfang des Signals bewirkt die Steuervorrichtung 8, daß die Bestrah­ lungsvorrichtung 5 sofort die Bestrahlung beendet. Demgegenüber setzt, wenn sie nicht die vorgeschriebe­ ne Menge erreicht, der Datenprozessor 7 die Bestrah­ lung fort, indem er die Verarbeitung von dem Schritt ST10 ausführt (Schritt ST15).

Als nächstes wird die Anordnung der Komponenten des Bestrahlungssystems nach der vorliegenden-Erfindung betrachtet.

Hinsichtlich des Befestigungsverfahrens der Abbil­ dungssonde der Echtzeit-Abbildungsvorrichtung 3 auf der Körperoberfläche kann diese manuell durch einen Fachmann befestigt werden oder sie kann von einem Bo­ gen herabhängen, der über der Körperoberfläche des Patienten 2 angeordnet ist. In dem ersten Fall kann, selbst wenn die Abbildungssonde sich über einen lan­ gen Weg während des Bilderwerbs bewegt, das Bestrah­ lungssystem nach dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Position und Richtung der Abbildungssonde in dem Arbeitsraum für Messung anhand der Erfassungssignale M1 und M2, die von den 3D-Positions- und Richtungs­ sensoren S1 und S2 zugeführt wurden, problemlos be­ rechnen. In gleicher Weise kann, selbst wenn der Bo­ gen in dem zweiten Fall nicht an dem Behandlungstisch 1 befestigt ist, die Position und Richtung der Abbil­ dungssonde auf dieselbe Weise berechnet werden.

Hinsichtlich der Anordnung des Behandlungstisches 1, der Hochauflösungs-Abbildungsvorrichtung 4 und der Bestrahlungsvorrichtung 5 können die beiden folgenden Fälle ausgeführt werden. Zuerst werden alle drei Kom­ ponenten befestigt; und zweitens werden die letztge­ nannten beiden Komponenten fixiert und nür der Be­ handlungstisch 1 kann seine Position durch Drehung oder Bewegung in einem Bereich verändern, der den Bilderwerb und die Bestrahlung ermöglicht.

In dem erstgenannten Fall müssen die Hochauflösungs- Abbildungsvorrichtung 4 und die Bestrahlungsvorrich­ tung 5 in einer solchen Weise angeordnet werden, daß sie einander nicht stören. Jedoch ist es unter Be­ rücksichtigung einer tatsächlichen Strahlenthera- - pieumgebung zweckmäßiger, die Störung zwischen der Hochauflösungs-Abbildungsvorrichtung 4 und der Be­ strahlungsvorrichtung 5 während der Behandlung durch Verändern der Position des Behandlungstisches 1 wie in dem letzteren Fall zu vermeiden. In diesem Fall sind die Hochauflösungs-Abbildungsvorrichtung 4 und die Bestahlungsvorrichtung 5 in einer solchen Weise angeordnet, daß sie in dem Arbeitsraum für Messung überlagert zu sein scheinen, obgleich sie in dem tat­ sächlichen Raum einander nicht stören.

Wie vorstehend beschrieben, ist das vorliegende Aus­ führungsbeispiel so ausgestaltet, daß es Sätze von Bilddaten des Bestrahlungszielbereichs nicht operativ ohne Befestigung eines Rahmens an dem Patienten 2 er­ faßt, überlagert und die Bilder in dem Arbeitsraum für Messung vergleicht, um die Position und Richtung des Bestrahlungsziels durch Überwachen von dessen Be­ wegung erkennt. Als eine Folge kann das vorliegende Ausführungsbeispiel die Bestrahlungsbelastung unnöti­ ger Bereiche verringern und nur das gewünschte Ziel intensiv und konzentriert bestrahlen.

Zusätzlich ist das vorliegende Ausführungsbeispiel so ausgestaltet, daß es die Position und Richtung zwi­ schen dem Behandlungstisch 1 der Echtzeit-Abbildungs­ vorrichtung 3, der Hochauflösungs-Abbildungsvorrich­ tung 4 und der Bestrahlungsvorrichtung 5 in dem 3D- Koordinatensystem in dem Arbeitsraum für Messung mißt. Somit kann das vorliegende Ausführungsbeispiel genaue Positionen und Richtungen der Komponenten des Systems i dem 3D-Korordinatensystem in dem Arbeits­ raum für Messung erfassen, wodurch es möglich wird, eine genaue Strahlung auf das Bestrahlungsziel zu lenken.

Darüber hinaus ist das vorliegende Ausführungsbei­ spiel so ausgestaltet, daß der Datenprozessor 7 die Bestrahlungszielbereiche in den Bildern, die von der Abbildungsvorrichtung derselben Modalität aufgenommen wurden, vergleicht und die Position und Richtung des Bestrahlungszielbereichs in den Bildern erhält. Als eine Folge ist es bei dem vorliegenden Ausführungs­ beispiel unnötig, die Gleichheit der Grenzbedingungen zu berücksichtigen, welche für den Vergleich der Be­ strahlungszielbereiche in den Bildern, die von den Abbildungsvorrichtungen mit den unterschiedlichen Mo­ dalitäten aufgenommen wurden, erforderlich ist. Somit kann das vorliegende Ausführungsbeispiel einen präzi­ sen Vergleich zwischen den Bestrahlungszielbereichen in den Bildern durchführen.

Obgleich das vorstehende Ausführungsbeispiel ein Bei­ spiel behandelt, daß das Bestrahlungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung auf die Strahlentherapie an­ wendet, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die­ ses Gebiet beschränkt. Obgleich das Bestrahlungsziel Bewegungs-Überwachungsverfähren und das Bestrahlungs­ ziel Positions-Erkennungsverfahren gemäß der vorlie­ genden Erfindung ihr Konzept von der Operation zu dem Bestrahlungsziel ableiteh, beziehen sie sich nicht notwendigerweise auf ein Behandlungsverfahren.

Claims (8)

1. Bestrahlungssystem, welches aufweist:
eine Bestrahlungsziel-Positionierungsvorrichtung (1) zum Positionieren eines Gegenstands mit ei­ nem Bestrahlungsziel, das der Bestrahlung zu un­ terziehen ist;
eine Bestrahlungsziel-Abbildungsvorrichtung (3, 4) zur Aufnahme von Bildern eines Bestrahlungs­ zielbereichs, der das Bestrahlungsziel enthält;
eine Bestrahlungsvorrichtung (5) zum Steuern der Strahlung zu dem Bestrahlungszielbereich gemäß vorgeschriebenen Bestrahlungsbedingungen;
eine Positions- und Richtungsmeßvorrichtung (6) zum Messen von Positionen und Richtungen der Be­ strahlungsziel-Positionierungsvorrichtung, der Bestrahlungsziel-Abbildungsvorrichtung und der Bestrahlungsvorrichtung, und zum Berechnen rela­ tiver Pos itionen und Richtungen zwischen diesen;
eine Bestrahlungsbedingungs-Korrekturvorrichtung (7) zum Erhalten der Position und Richtung des Bestrahlungszielbereichs in den Bildern unter Verwendung von Berechnungsergebnissen der Posi­ tions- und Richtungsmeßvorrichtung und von Ver­ gleichsergebnissen, die durch Vergleich der Be­ strahlungszielbereiche in den Bildern, die auf­ einanderfolgend durch die Bestrahlungsziel- Abbildungsvorrichtung aufgenommen wurden, erhal­ ten wurden, und zum Korrigieren der Bestrah­ lungsbedingungen, in welchen die erhaltene Posi­ tion und Richtung reflektiert sind; und
eine Steuervorrichtung (8) zum Steuern der Strahlung zu dem Bestrahlungszielbereich in Ab­ hängigkeit von den Bestrahlungsbedingungen, die als ein Ergebnis der Korrektur durch die Be­ strahlungsbedingungs-Korrekturvorrichtung erhal­ ten wurden.

2. Bestrahlungssystem nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Positions- und Richtungs­ meßvorrichtung (6) Positionen und Richtungen der Bestrahlungsziel-Positionierungsvorrichtung, der Bestrahlungsziel-Abbildungsvorrichtung und der Bestrahlungsvorrichtung in einem 3D- Koordinatensystem mißt.

3. Bestrahlungssystem nach Anspruch 1, worin die Bestrahlungsziel-Abbildungsvorrichtung (3, 4) mehrere Abbildungsvorrichtungen von unterschied­ licher Modalität aufweist, und daß die Bestrahlungsbedingungs-Korrekturvorrichtung (7) die Position und Richtung des Bestrahlungs­ zielbereichs in den Bildern erhält unter Verwen­ dung von Berechnungsergebnissen, die durch die Positions- und Richtungsmeßvorrichtung erhalten wurden, und von Vergleichsergebnissen, die durch Vergleich des Bestrahlungszielbereichs in den Bildern, die durch die Abbildungsvorrichtung derselben Modalität aufgenommen wurden, aus den Bildern, die aufeinanderfolgend von den mehreren Abbildungsvorrichtungen von unterschiedlicher Modalität aufgenommen wurden, erhalten wurden.

4. Bestrahlungssystem nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Bestrahlungsziel- Abbildungsvorrichtung aufweist: eine Hochauflö­ sungs-Abbildungsvorrichtung (4) zum Aufnehmen von Hochauflösungs-3D-Bildern des Bestrahlungs­ zielbereichs, welche verwendet werden zum Ein­ stellen der Bestrahlungsbedingung; und eine Echtzeit-Abbildungsvorrichtung (3) zum Aufnehmen von Hochauflösungs-3D-Bildern des Bestrahlungs­ zielbereichs vor und während der Bestrahlung, und daß die Bestrahlungsbedirigungs- Korrekturvorrichtung (7) die Positionen und Richtungen der Bestrählungszielbereiche in den Bildern erhält durch Verwendung der Berechnungs­ ergebnisse, die durch die Positions- und Rich­ tungsmeßvorrichtung erhalten wurden, von Ver­ gleichsergebnissen, die durch Vergleich der Be­ strahlungszielbereiche in den Bildern, die von der Hochauflösungs-Abbildungsvorrichtung aufge­ nommen wurden, erhalten wurden, und von Ver­ gleichsergebnissen, die durch Vergleich der Be­ strahlungszielbereiche in den Bildern, die von der Echtzeit-Abbildungsvorrichtung aufgenommen wurden, und die Bestrahlungsbedingungen korri­ giert unter Verwendung der Bilder, welche durch die Hochauflösungs-Abbildungsvorrichtung und die Echtzeit-Abbildungsvorrichtung erworben wurden, und in welchen die erhaltenen Positionen und Richtungen reflektiert sind.

5. Bestrahlungszielbewegungs-Überwachungsverfahren eines Bestrahlungssystems, das eine Bestrah­ lungsziel-Positionierungsvorrichtung (1) zum Po­ sitionieren eines Gegenstands mit einem Bestrah­ lungsziel, das der Bestrahlung zu unterziehen ist, eine Bestrahlungsziel-Abbildungsvorrichtung (3, 4) zur Aufnahme von Bildern eines Bestrah­ lungszielbereichs, der das Bestrahlungsziel ent­ hält, und eine Bestrahlungsvorrichtung (5) zum Steuern der Strahlung zu dem Bestrahlungszielbe­ reich entsprechend vorgeschriebenen Bestrah­ lungsbedingungen enthält, welches Bestrahlungs­ zielbewegungs-Überwachungsverfahren aufweist:
einen Bilderwerbsschritt zum aufeinanderfolgen­ den Aufnehmen von Bildern des Bestrahlungsziel­ bereichs durch die Bestrahlungsziel-Abbildungs­ vorrichtung;
einen Positions- und Richtungsmeßschritt zum Messen von Positionen und Richtungen der Be­ strahlungsziel-Positionierungsvorrichtung, der Bestrahlungsziel-Abbildungsvorrichtung und der Bestrahlungsvorrichtung, und zum Berechnen rela­ tiver Positionen und Richtungen zwischen diesen; und
einen Bestrahlungsziel-Überwachungsschritt zum Erhalten von Positionen und Richtungen der Be­ strahlungszielbereiche in den Bildern unter Ver­ wendung von Berechnungsergebnissen, die durch die Positions- und Richtungsmeßvorrichtung er­ halten wurden, und von Vergleichsergebnissen, die durch Vergleich der Bestrahlungszielbereiche in den Bildern, die in dem Bilderwerbsschritt aufeinanderfolgend aufgenommen wurden, erhalten wurden.

6. Bestrahlungszielbewegungs-Überwachungsverfahren eines Bestrahlungssystems nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Bestrahlungs­ ziel-Überwachungsschritt die Positionen und Richtungen der Bestrahlungszielbereiche in den Bildern erhält durch Verwendung von Berechnungs­ ergebnissen, die in dem Positions- und Rich­ tungsmeßschritt erhalten wurden, und von Ver­ gleichsergebnissen, die durch Vergleich der Be­ strahlungszielbereiche in den Bildern, die auf­ einanderfolgend von der Bestrahlungsziel- Abbildungsvorrichtung derselben Modalität aufge­ nommen wurden, erhalten wurden.

7. Bestrahlungszielpositions-Erkennungsverfahren bei einem Bestrahlungssystem, das eine Bestrah­ lungsziel-Positionierungsvorrichtung (1) zum Po­ sitionieren eines Gegenstands mit einem Bestrah­ lungsziel, das der Bestrahlung zu unterziehen ist, eine Bestrahlungsziel-Abbildungsvorrichtung (3, 4) zur Aufnahme von Bildern eines Bestrah­ lungszielbereichs, der das Bestrahlungsziel ent­ hält, und eine Bestrahlungsvorrichtung (5) zum Lenken der Strahlung zu dem Bestrahlungszielbe­ reich gemäß vörbeschriebenen Bestrahlungsbedin­ gungen enthält, welches Bestrahlungszielpositi­ ons-Überwachungsverfahren aufweist:
einen Biiderwerbsschritt zum aufeinanderfolgen­ den Aufnehmen von Bildern des Bestrahlungsziel­ bereichs durch die Bestrahlungsziel- Abbildundsvorrichtung;
einen Positions- und Richtungsmeßschritt zum Messen von Positionen und Richtungen der Be­ strahlungsziel-Positionierungsvorrichtung, der Bestrahlungsziel-Abbildungsvorrichtung und der Bestrahlungsvorrichtung, und zum Berechnen rela­ tiver Positionen und Richtungen zwischen diesen; und
einen Zielpositions-Erkennungsschritt, um Posi­ tionen und Richtungen der Bestrahlungszielberei­ che in den Bildern zu erhalten durch Verwendung von Berechnungsergebnissen, die durch die Posi­ tions- und Richtungsmeßvorrichtung erhalten wur­ den, und von Vergleichsergebnissen, die durch Vergleich der Bestrahlungszielbereiche in den Bildern, die in dem Bilderwerbsschritt aufeinan­ derfolgend aufgenommen wurden, erhalten wurden, und um die Bestrahlungsbedingungen durch Reflek­ tieren der Positionen und Richtungen in den Bil­ dern zu korrigieren.

8. Bestrahlungszielpositions-Erkennungsverfahren bei einem Bestrahlungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Zielpositions- Erkennungsschritt die Positionen und Richtungen der Bestrahlungszielbereiche in den Bildern er­ hält durch Verwendung von Berechnungsergebnis­ sen, die in dem Positions- und Richtungsmeß­ schritt Erhalten wurden, und von Vergleichser­ gebnissen, die durch Vergleich der Bestrahlungs­ zielbereiche in den Bildern, die aufeinanderfol­ gend von der Bestrahlungsziel- Abbildungsvorrichtung derselben Modalität aufge­ nommen wurden, erhalten wurden.